Ugrás a tartalomhoz

Etológia

Csányi Vilmos

Nemzeti Tankönyvkiadó Zrt.

2. fejezet - A magatartás szabályozása

2. fejezet - A magatartás szabályozása

Magatartás-genetika

A magatartás-genetika kifejlődését elsősorban a pszichológián belül a húszas években kezdődött elméleti vitákban felmerült problémáknak köszönheti. A vita az öröklött és szerzett tulajdonságok hatásának fontossága (nature-nurture) körül forgott, és változó hevességgel lényegében még ma is tart. Mint ezt már az etológia kialakulásának tárgyalása során említettük, a pszichológiának nem sok kapcsolata volt a biológiával, mert teológiai eredete miatt a korai pszichológusok általában úgy gondolták, hogy a lelki jelenségek az ember biológiai természetétől teljesen független, zárt rendszert alkotnak, amelyet csak önmagában lehet és szabad tanulmányozni. A biológia belső fejlődése, a darwini evolúciós elmélet kialakulása, amely az egész élővilág egységét, az emberi természet állati eredetét hangsúlyozta, sokáig hatástalan volt a pszichológiára. A genetika kifejlődésével a biológiai tudományokban jelentős forradalom zajlott le, és ez hatását más területeken, így a pszichológiában is éreztette. Felvetődött az, a biológus számára nyilvánvaló gondolat, hogy a különböző emberi és állati magatartásformáknak van genetikai alapja, vagyis az egyének és egyedek természetes viselkedésében megfigyelhető különbségek bizonyos mértékig öröklött tényezőkre vezethetők vissza. Ennek a meglehetősen egyszerű és könnyen bizonyítható gondolatnak is csak igen lassan sikerült teret nyernie a pszichológiában. Ennek egyik oka kétségtelenül az volt, hogy a genetikai meghatározottság mellett kardoskodó kutatók jórészt maguk is pszichológusok voltak, és nem voltak elég járatosak azokban a biológiai, genetikai módszerekben, amelyekkel állításukat igazolhatták volna. Ezért az elkövetett metodikai hibák sokszor lejáratták az egyébként helyes elméleti elképzeléseket. Mindenesetre a húszas évektől kezdve megindult egy pszichológiai indíttatású magatartás-genetikai kutatás, amely különböző pszichológiai tesztek genetikai hátterének vizsgálatával elsősorban azt kívánta bizonyítani, hogy a viselkedésnek és a genetikának van köze egymáshoz.

Az etológia evolúciósbiológiai elméleti keretben fejlődött ki, és az etológusok eleve feltételezték, hogy az állati viselkedésnek erős genetikai meghatározottsága van. Ennek ellenére a természetes magatartásegységek korszerű eszközökkel való genetikai vizsgálata elsősorban módszertani nehézségek miatt csak nemrégiben kezdődött meg.

Gén – viselkedés

Mint minden genetikus, így a magatartás-genetikus is a genetika általános paradigmájával dolgozik, amely a következőképpen fogalmazható meg: az élő szervezet minden tulajdonsága, a forma, a belső szerkezet, a kémiai felépítés, a viselkedés, vagyis bármiféle fenotípus visszavezethető a gének működésére. A mai korszerű bio

lógiai szemlélet szerint a sejtek DNS-e, a gének fizikai anyaga, tulajdonképpen egy bonyolult „kémiai algoritmus", amelynek működése, „megoldása” során a sejtekben szabályozott biokémiai reakciók mennek végbe a sejt komponensrendszerének replikációja céljából. A genetikai vagy molekuláris szinttől a magatartásig több szerveződési szint található a szervezetben, ezek összehangolt működése a genetikai anyag kifejeződésének, expressziójának a függvénye. A genetikai anyag működésének első szerveződési szintje a sejt. A magatartást közvetlenül létrehozó idegrendszer elemeinek, az idegsejteknek a kialakulása igen hosszú, sokszor az egyed teljes életében folyó differenciálódási folyamat eredménye. Ez már előre jelzi a magatartás-genetika egyik nehéz problémáját: a különböző életkorú egyedek viselkedése nagyon különböző lehet, mert a magatartást az idegsejtek differenciálódásának folyamata nagymértékben befolyásolja. A szerveződés következő szintje a neuronokból felépülő idegrendszer, amely az egész szervezetet behálózza, és az egyedfejlődés során működését nemcsak a genetikai, hanem a környezeti hatások is jelentősen módosíthatják. Külön problémája a magatartás-genetikának az, hogy egy parányi változás a gének szerveződési szintjén jelentős változásokhoz vezethet az idegrendszer szerveződési szintjén, olyanokhoz is, amelyek esetleg nem specifikusak az általunk kiválasztott magatartási fenotípus szempontjából. Ezenkívül az idegrendszer nem elkülönülten működik a szervezetben, hanem kapcsolatban áll más szabályozórendszerekkel is, például a hormonokkal, amelyek a magatartási fenotípus megnyilvánulását szintén erősen befolyásolhatják. Végül a legutolsó szerveződési szint a viselkedés szintje, amely a viselkedés megnyilvánulásának legfontosabb tényezője. Mindenki ismeri a saját tapasztalataiból, de a viselkedéstudományoknak, az etológiának, pszichológiának számtalan bizonyítéka is van arra, hogy a viselkedési fenotípus visszahat magára a viselkedésre is. A tapasztalat, a tanulás, a kellemes vagy kellemetlen emlékek, bizonyos események puszta sorrendje alapvetően megváltoztathat egy magatartási reakciót. A módszertani részben említettük, hogy az agresszív vetélkedésben a győztes mindig nagyobb valószínűséggel nyeri meg a következő csatát is, mint a vesztes. Ezek a jellegzetességek arra figyelmeztetnek, hogy a magatartási fenotípus vizsgálatakor a genetikusnak különleges módszereket kell alkalmaznia, amelyek segítségével a zavaró hatások kiküszöbölhetők, és a gén-fenotípus kapcsolat, valamint a kapcsolat mechanizmusa pontosan felderíthető. A korszerű genetikai szemlélet minden fenotípust az egyedfejlődés irreverzíbilis komplex folyamatában vizsgál, amelyben a gének és a fejlődési folyamat többi szereplőjének befolyása minden szerveződési szinten folyamatos kölcsönhatásban nyilvánul meg (Bateson, 1983).

Az előbbiekből az is nyilvánvaló, hogy az egyedfejlődési folyamatoktól most eltekintve a magatartási fenotípus csak egészen kivételes esetben feleltethető meg egyetlen (major) gén hatásának. Az esetek többségében a fenotípust komplex folyamatok hozzák létre, amelyekben számos apró (minor) gén hatása mutatható ki, vagyis a magatartás-genetikai fenotípusok általában poligénesek. Ha viszont egy adott gént veszünk szemügyre, szinte minden esetben kimutatható, hogy hatását nemcsak egy tulajdonságra, egy fenotípusra fejti ki, hanem sokfélére: pleiotrop hatású. Tovább bonyolítja a fenotípus és a gének közötti kapcsolatot az, hogy a gének más-más hatást fejtenek ki az adott fenotípusra attól függően, hogy milyen adott genotípus komponensei, mert a gének egymás hatását is képesek befolyásolni dominancia, valamint episztázis révén.

Aránylag kevés olyan fenotípust ismerünk, amelynek kialakulásában a génektől a tulajdonság megnyilvánulásáig terjedő teljes oksági láncolatot felderítették volna, de tudjuk, hogy maguk a génhatások is sokfélék lehetnek. Egy gén irányíthatja egy fehérje szerkezetének kialakulását: ezek a struktúrgének. Lehet a génnek valamilyen szabályozófunkciója, serkentheti vagy gátolhatja a strukturális gén működését, az ilyen típusúak a szabályozó gének. Lehet a génhatás olyan, hogy egy adott fehérjét módosít, ezek a módosító- (processzáló-) gének. Végül befolyásolhatja egy gén az adott strukturális gén aktivitásának időbeli megjelenését, ezeket nevezzük temporális géneknek. A szervezet ezernyi szállal kapcsolódik a környezetéhez: a hőmérséklet, a táplálék, a környezet kémiai befolyása, magasabbrendűeknél a legkülönbözőbb szociális hatások stb. mind befolyásolják a különböző génaktivitások kifejeződését és ezáltal a fenotípust. Különösen igaz ez a magatartási fenotípus esetében. A környezet hatásaira bekövetkező fenotípusos válasz ezért sokszor meghaladja és elfedheti a genotípus jellegzetességeinek megnyilvánulását. A genetikai metodológia legfontosabb törekvése ezért a genotípus szigorú szabályozásával a környezethatások felderítése és kísérleti célokra való felhasználása.

Az egyedi szervezet genetikai architektúrájáról eddig elmondottakat ki kell egészítenünk azzal, hogy a szervezet feletti szerveződési szintek is genetikai történések helyei. Az azonos fajú élőlények együtt élő, szaporodó csoportja a populáció. Erre jellemző a magas fokú genetikai variabilitás, amely a gének polimorfiájára vezethető vissza. A genetikai variabilitás, valamint a fenotípust kialakító szabályozórendszereknek a környezeti tényezőkkel való kölcsönhatása hozza létre a fenotípusos variabilitást, ami a kísérleti munka kiindulási alapja.

A genetikus legelső és legegyszerűbb kérdései éppen a genetikai variabilitásra vonatkoznak. A végső cél az adott fenotípust létrehozó folyamatok teljes felderítése a közreműködő kémiai reakciókon keresztül egészen az adott gének molekuláris szerkezetéig. A legtöbb esetben azonban ez csak távoli ideál, különösen a magatartási fenotípusok esetében. A gyakorlati célkitűzés sokkal szerényebb: olyan fix pontot találni a gének-fehérjék-kémiai reakciók-ideghálózatok-magatartás hierarchiában, amelyből kiindulva a mechanizmuskutatás megkezdhető. Ez minden esetben valamilyen egyértelmű genotípus – fenotípus összefüggés felderítését jelenti. Ehhez a feladathoz a genetikus két változót alkalmaz: változtatja a genotípust és a környezetet. Azonos genotípusok fenotípusát különböző környezeti feltételek között vizsgálva elkülönítheti a környezeti hatások nagy részét. Azonos környezeti – kísérleti – feltételek között különböző genotípusokat alkalmazva kimutathatja a genetikai különbségek hatását a fenotípusra. A két változó alkalmazásával a genotípus-fenotípus összefüggés – ha van, és a kísérletek egyéb szempontból is korrektek – megállapítható. Egyszerűbb esetekben a fenotípusban jelentkező különbségek egy részét valamilyen fő gén(ek) hatására vezetjük vissza. Bonyolultabb esetekben, főként ha az adott fenotípusban az apró gének hatása jelentős, csak statisztikai paraméterekkel jellemezhetjük a közreműködő genetikai tényezőket, amelyek a fenotípus fiziológiai mechanizmusáról semmit sem mondanak.

A magatartás-genetika a gének és a viselkedési fenotípus közötti kapcsolatot kívánja felderíteni. Mint erre már a bevezetőben utaltunk, a magatartás-fenotípus kiválasztásában kétféle megközelítés alakult ki. Az összehasonlító pszichológus rendszerint valamilyen, a pszichológiai gyakorlatot közvetlenül érintő problémából indul ki, és a genetikai vizsgálatokhoz eszerint választja meg a vizsgálni kívánt fenotípust. Például: hogyan viselkedik valaki, ha váratlanul új környezetbe kerül? Állatokkal, például egérrel modellezve ezt a kérdést, egy ún. nyílt tér (open-field) elnevezésű tesztet kell megtervezni. A „nyílt tér” rendszerint egy nagyobb, jól megvilágított, fehérre festett kör vagy négyzet alakú doboz (46. ábra).

46. ábra - „Nyílt tér” (open-field) berendezés - A kísérleti állatpszichológiában használatos berendezés alkalmas arra, hogy a váratlanul új környezetbe került állat viselkedését nyomon kövessük. A vizsgálandó állatot (pl. egeret) a tér közepére helyezik és néhány percig figyelik viselkedését, pontosan feljegyezve a vizelések, a bélsárürítések, az ágaskodások számát, hogy mekkora területet jár be és milyen sebesen stb. Ha a teszt valamelyik jól reprodukálható, mérhető paraméterét választjuk fenotípusnak, akkor ennek a genetikai elemzését el lehet végezni. A tesztparaméter mint fenotípus absztrakt konstrukciója nyilvánvaló, biológiai funkciója a legtöbb esetben meghatározhatatlan, de jól mérhető, és megfelelő variabilitás esetén kétségtelenül alkalmas a genetikai analízisre

kepek/046.jpg


A vizsgálandó állatot a tér közepére helyezik és néhány percig figyelik viselkedését, pontosan feljegyezve, hogy hányszor vizel, ürít bélsarat, ágaskodik kíváncsian, mekkora területet jár be és milyen sebesen stb. A félénkebb egerek többször ürítenek, félelmükben gyakran lekuporodnak és jóval kevesebbet mozognak, mint a bátrabbak, amelyek szaladgálnak, ágas

kodnak, jól körülnéznek az ismeretlen terepen. A bátrabb egerek által bejárt terület is nagyobb, mint a félénkebbeké. Ha a bejárt terület nagyságát tekintjük a teszt egyik mérhető paraméterének és ezt választjuk fenotípusnak, máris van egy jól mérhető, számszerűsített fenotípus, amelynek genetikai elemzését el lehet végezni (Egy halakkal végzett vizsgálat: Csányi és Gerlai, 1988.) A tesztparaméter mint fenotípus absztrakt konstrukciója nyilvánvaló, biológiai funkciója a legtöbb esetben meghatározhatatlan, de jól mérhető, és megfelelő variabilitás esetén kétségtelenül alkalmas a genetikai analízisre. Sokféle egyéb tesztet is kidolgoztak az összehasonlító pszichológiai laboratóriumokban. Az általános mozgásaktivitás mérésére például többféle teszt is van. Az egyiknél az állatot hosszabb időre egy műanyag tálcára helyezik, ahol optikai vagy mágneses érzékelőkkel követik elmozdulásait és ezeket valamilyen alkalmas módon összegzik. Ugyanezt a feladatot elvégzi egy videokamerával kiegészített kis számítógép is, amelynek alakfelismerő programja a kamera látóterében bekövetkező változásokat veszi számításba. A rágcsálók szívesen szaladgálnak egy forgatható kerékben, ezt saját mozgásuk forgatja, a kerék fordulatainak automatikus számolásával az állat aktivitása jellemezhető (47. ábra).

47. ábra - Az általános mozgásaktivitás mérésére használatos kísérleti berendezések - A: „futókerék", B: „póznateszt", C: „ingajárati berendezés". Ezek és az ezekhez hasonlító készülékek legtöbbször nem hasonlítanak az állat természetes környezetéhez, az élőlény viselkedése tehát etológiai szempontból csak nagyon bonyolultan értékelhető. Valahogyan azonban mégis csak tevékenykedik bennük, és mindenképpen adatokat, végső soron számokat szolgáltat a kísérletezőnek. Kedvező esetben ezek a számok a kísérlet körülményeivel és – ami a genetikus számára a legfontosabb – az állat genotípusával befolyásolhatók, vagyis a genetikai analízis céljaira a fenotípus értelmezhetőségétől függetlenül megfelelnek

kepek/047.jpg


Egerek gyakran másznak fel vékony rudakra, ez az alapja a póznatesztnek. Itt többféle dolgot is lehet mérni: mennyi idő telik el a készülékbe helyezéstől a mászás megkezdéséig, mennyi idő alatt jut fel az állat a póznára, mennyi ideig tartózkodik a tetején stb. Terveztek olyan készülékeket, amelyek két szűk járattal összekötött térrészből állnak, az egyik rendszerint sötét, a másik jól meg van világítva. Indításkor az állatot valamelyik rekeszben elhelyezik és mérik a „kilépési", illetve a „belépési” késlekedést (látenciát), tehát azt az időtartamot, amely a másik térrészbe való átlépésig eltelik. Bonyolultabb készülék a nagyon kedvelt útvesztő(48. ábra), amely lehet az ábrán rajzoknál jóval egyszerűbb és jóval bonyolultabb is.

48. ábra - Útvesztő -A berendezés egyszerűbb és jóval bonyolultabb formái ma is széles körben haszálatosak a viselkedés kutatásával foglalkozó kísérleti laboratóriumokban. A berendezésbe rendszerint egymás után többször, meghatározott szünetek beiktatása után kerül az állat, és figyelik a tevékenységét az indítórésztől a célrekeszig tartó úton. Az utóbbiban valamiféle jutalom, rendszerint táplálék várja az állatot. Mérik a haladás sebességét, az útvesztő zsákutcáiba való belépések, azaz a „hibák” számát stb.

kepek/048.jpg


A berendezésbe rendszerint egymás után többször, meghatározott szünetek beiktatása után kerül az állat, és figyelik tevékenységét az indítórésztől a célrekeszig tartó úton. Az utóbbiban valamiféle jutalom, rendszerint táplálék várja az állatot. Mérik a haladás sebességét, az útvesztő zsákutcáiba való belépések, azaz a „hibák” számát stb. Ezek és az ehhez hasonlító készülékek legtöbbször nem hasonlítanak az állat természetes környezetéhez, az élőlény viselkedése tehát etológiai szempontból csak nagyon bonyolultan értékelhető. Valahogyan azonban mégiscsak tevékenykedik, és mindenképpen adatokat, végső soron számokat szolgáltat a kísérletezőnek. Kedvező esetben ezek a számok a kísérlet körülményeivel és – ami a genetikus számára a legfontosabb – az állat genotípusával befolyásolhatók, vagyis a genetikai analízis céljaira a fenotípus értelmezhetőségétől függetlenül megfelelnek. A tesztparamétereknek mint fenotípusnak az alkalmazása leginkább azzal a hátránnyal jár, hogy le kell mondanunk a fenotípus és a gén közötti mechanizmus felderítéséről, mert mind a mesterségesen kiváltott magatartás belső szerkezete, mind pedig genetikai háttere rendkívül bonyolult. Ezt a hátrányt igyekeznek az újabb magatartás-genetikai irányzatok kiküszöbölni etológiai, „természetes” viselkedési egységeknek mint fenotípusnak a vizsgálatával, a két irányzat között természetesen sokféle átmenet is lehetséges.

Az etológiai magatartás-genetika, nevezik etogenetikának is, a klasszikus etológia magatartáselem-magatartásegység koncepcióit alkalmazza. A genetikailag meghatározott természetes viselkedési rendszer az állatot felkészíti az élőhelyén rendszeresen előforduló események felismerésére, és ezek saját érdekében való felhasználására. A magatartási rendszer kialakításáért felelős génkészlet ebben az értelemben tehát tükre az állatot is magában foglaló ökológiai környezetnek. Az állati viselkedést az agyban kiépülő akciómodell irányítja, és számos esetben ismerjük azokat a feltételezhetően legkisebb elemeket, az epigenetikus szabályokat, amelyek e

modell elemei. A paradicsomhal ragadozóelkerülésének vizsgálata során kimutattuk, hogy két szemhez hasonló folt jelenlétében az állatok másként reagálnak az enyhe fájdalomingerre, mint ha ilyen kulcsingerek nincsenek jelen. A kulcsinger észlelésekor gyors elkerülési reakciót mutatnak, kulcsinger nélkül pedig éppen ellenkezőleg, „keresnek", dacára a kellemetlen helyzetnek. Ezekből a megfigyelésekből megalkotható három egyszerű epigenetikus szabály: „ha két szemet látsz, figyelj", „ha két szemet látsz és fáj, menekülj!", „ha csak kicsit fáj, keress!” Különféle genetikai vizsgálatokkal sikerült kimutatni, hogy ezek az apró viselkedési utasítások a viselkedésnek valószínűleg tovább már nem bontható elemi egységei.

Az epigenetikus szabály adott környezeti helyzetben külső ingerek hatására kialakuló, de genetikailag meghatározott fajspecifikus és eleminek tekinthető utasítás. Feltehető, hogy ezeknek a szabályoknak van a legegyszerűbb genetikai háttere, tehát ezeket érdemes genetikailag vizsgálni, ha egy későbbi fázisban az élettani mechanizmus felderítése a cél. Másrészt bizonyosra vehető, hogy ha egy adott faj akciómodelljének építőköveit, az epigenetikus szabályokat, illetve ezek összességét leírjuk, akkor lényegében elvégezzük a magatartás belső szabályozórendszerének felderítését is. Ekkor lehetségessé válik az egyes szabályozóelemek idegrendszeri reprezentációjának konkrét neuronhálózati azonosítása, majd a biokémiai mechanizmus felderítése. A magatartás-genetikusnak természetesen nem kell megvárnia a szabályozórendszer teljes felderítését, hanem magát az epigenetikus szabályt is tekintheti fenotípusnak, és vizsgálhatja a viselkedési szabályokat kialakító genetikai hátteret.

A pszichológusok tesztparaméterei, de még az etológusok magatartáselemeinek esetében is előfordul, hogy nagy munkával 10-20 paramétert vizsgálnak egyszerre, és csak a kísérletek végén derül ki, hogy azok közül több tulajdonképpen ugyanazt a belső tényezőt mérte, vagy egyéb szoros összefüggés, korreláció van közöttük. Ekkor többnyire származtatott paramétereket konstruálnak. Az egyes állatok viselkedése során mért különböző paraméterek korrelációjának a felhasználásával, bonyolult matematikai apparátus segítségével a mért változókat helyettesíteni lehet kevesebb számú faktorral (a faktoranalízist korábban már tárgyaltuk), és a genetikai analízis során az így képzett faktorokat tekintik fenotípusnak.

Természetes és kísérleti populációk

A különböző állatpopulációk és az egyes populációk egyedeinek genetikai jellemzésére különféle paramétereket használunk, ezek részletes analízise megtalálható megfelelő genetikai kézikönyvekben (Csányi, 1984). A magatartás-genetikai kísérletek értékelését legközvetlenebbül érintő paraméterek egyedek esetében a genetikai homogenitás jellemzői. A természetes körülmények között élő populációkban egy-egy gén több változatban fordul elő, így a diploid szerkezetű állati genom lokuszainak jó része heterozigóta állapotban van. Az egyed esetében tehát jellemző lehet egy-egy vizsgálni kívánt gén homozigóta, illetve heterozigóta volta, másrészt jellemzi az egyedeket a teljes genom homogenitásának mértéke. Különböző vizsgálatok alapján nagyon valószínű, hogy a genom génjeinek 70-90%-a heterozigóta. Ennek valószínűleg az az oka, hogy változó környezeti feltételek között a heterozigóta génállapotok egyfajta kiegyenlített reakciókészséget biztosítanak az egyed számára. Ezért a természetes populációk egyedei általában erősebbek, ellenállóbbak és kevéssé hajlamosak a szélsőséges reakciókra, mint a homogén genommal rendelkező egyedek. Egyes egyedi esetekben nem tudjuk megállapítani a teljes genom homogenitásának mértékét, de természetes populációkban nagyobb számú egyed megfelelő vizsgálatával és statisztikai módszerek felhasználásával erre következtethetünk. Mesterséges populációkat pedig igyekszünk olyan módon előállítani, hogy a heterogenitásuk mértéke pontosan számítható legyen. Így az egyedre vonatkozó paramétereket a populációt jellemző statisztikai paraméterekkel pótoljuk.

A teljes genom homogenitásának statisztikai mérőszáma a beltenyésztési koefficiens (F), amelynek értéke 0 és 1 között változhat, és megadja, hogy a populáció egy tetszőleges egyedében milyen valószínűséggel találhatunk tetszőleges génben homozigóta állapotot. Ismeretlen eredetű populációnál vagy természetes populációnál az F értéket 0-nak vesszük, tekintet nélkül a homogenitás valódi, de igen nehezen meghatározható értékére. Az ellenőrzött generációk váltakozása során pedig a tenyésztési típustól függően számíthatjuk a beltenyésztési együtthatót.

A populációk genetikai jellemzésének másik fontos paramétere a genomok közötti homogenitás mértéke. Erre a genotípusos egyezés (I) 0-1 közé eső mérőszámát használhatjuk, amely megadja, hogy egy populáció tetszőleges két egyedének tetszőleges génjeiben milyen valószínűséggel fordul elő megegyező genotípus. A természetes populáció két-két egyede számtalan lokuszban hordozhat egymástól különböző allétokat, így két azonos genotípus együttes előfordulásának a valószínűsége gyakorlatilag zérus. Genetikailag homogén egyedek vagy homogén szülőktől eredő F, hibridek populációiban az egyedek genetikailag azonosak, a genotípusos egyezés mértéke megközelítheti az 1-et. A megegyező genotípusokat tartalmazó populációkat izogén populációknak nevezzük. Ezek természetesen tartalmazhatnak heterozigóta állapotú géneket is, F-értékük lehet egészen kicsi is.

A genetikai paraméterek alapján a természetes és a kísérleti populációkat többféleképpen rendszerezhetjük. Az általunk bemutatott rendszer a populációkat eredetük alapján osztályozza, figyelembe véve a lehetséges polimorfiát, a homogenitást és a genotípusos egyezés mértékét.

Azokat a populációkat, amelyek polimorfiát mutatnak és egy-egy génből kettőnél is több változat mutatható ki bennük, polilineális eredetűnek tekintjük. Idetartoznak a természetes populációk és a véletlen tenyésztésű, valamint a kültenyésztett populációk. A genetikai homogenizálás során a beltenyésztés különböző módszereivel homogén törzseket hoznak létre, ezek legfeljebb négy különböző genom kombinációjaként foghatók fel, tehát quadrilineálisak. Két genom kombinációjával kaphatjuk a bilineális törzseket. Idetartoznak a rekombináns és a gynogenetikus eredetű állattörzsek. Egy-egy beltenyésztett törzsből különböző módszerekkel leszármaztatott, rendszerint csak egy vagy néhány génben különböző törzseket unilineálisnak tekintjük. A különböző populációk genetikai paraméterei még azonos eredet esetében is jelentősen eltérhetnek. Nagyon fontos tehát, hogy a magatartás-genetikai kísérletek tervezésénél a felhasznált populáció a kísérleti célra a legalkalmasabb legyen. Minthogy általában nem egyedeket, hanem csoportokat használunk a kísérletekhez, legfőképpen arra kell figyelemmel lenni, hogy az állatok genetikai homogenitása milyen. Az elmondottakat foglalja össze táblázatunk:

Eredet

Típus

F

/

Homozigóta gének %-a

polilineális

vad, kültenyésztett

0

0

10-40

quadrilineális

beltenyésztett törzsek

1

1

100

 

klónok

0-1

1

10-100

bilineális

rekombináns, gynogenetikus

1

1

100

unilineális

koizogén törzsek

1

1

100

hibridek

F1, F2 és visszakeresztezett törzsek

0

0-1

10-40

A homogenitást mindig két értelemben vizsgáljuk a genomon belül, tehát az individuális genomok homogenitását és a genomok közötti homogenitást, vagyis a genetikai identitás mértékét a választott csoporton belül. Egy kültenyésztett populáció homogenitása mindkét paraméter alapján alacsony. Az egyedi genomok nagy arányban tartalmaznak heterozigóta állapotú lokuszokat, és az egyes egyedek egymástól jelentős mértékben különböznek, a genetikai identitás értéke alacsony. Beltenyésztett törzsből vett csoport a homogenitás maximumát mutatja. Az egyedi genomok homogének, és minden egyed genetikailag teljesen azonos. Két nem rokon beltenyésztett törzs keresztezésével kapott F1 hibrid csoportban az egyedek individuális homogenitása alacsony, a heterozigóta lokuszok aránya nagy, de a genetikai identitás maximális, minden egyed genotípusa azonos.

A természetes populációk kevés kivétellel igen nagy mértékben heterogének. Mind a genomon belüli, mind pedig a genomok közötti homogenitás paramétere alacsony, és tovább növeli a heterogenitást a polimorfia: bizonyos gének akár 4-5 allélváltozatban is előfordulhatnak. Ez utóbbi az oka a polilineális jellegnek. A különböző fenotípusok, közöttük a magatartás-genetikai fenotípusok is, nagy egyedi variabilitást mutatnak, amelynek jó része genetikai variabilitás, és reprodukálható megfigyeléseket csak nagyobb számú egyed felhasználásával kaphatunk. Természetes populációkat ritkán használnak fel genetikai kísérletekhez.

Különböző kísérleti célokra mégis szükség van genetikailag heterogén populációkra. Ilyen célokra alakították ki a véletlen tenyésztésű és a kültenyésztésű kísérleti populációkat. Ezek mintegy modelljei a megfelelő faj vad típusú populációinak. A felhasznált tenyésztési sémák olyanok, hogy lehetővé tegyék a populáció polimorfiájának és genetikai heterogenitásának sok generáción keresztüli megőrzését, valamint biztosítsák a reprodukálható méréseket. A véletlen tenyésztésű populációknál a tenyésztés során véletlenszerű párosítást használnak. Célszerűbb sémákat alkalmaznak a kültenyésztésnél, amelyekkel gondoskodnak arról, hogy minden generáció létrehozásakor a legkevésbé rokon egyedek párosodjanak. Ha elegendő számú tenyészpár alkotja a populációt (160 vagy annál több), akkor genetikai tulajdonságait hosszú ideig megőrzi.

A kísérleti eredmények reprodukálhatóságának biztosítására gyakran nem kültenyésztésű populációt, hanem szintetikus vagy mozaik populációkat használnak, amelyeket beltenyésztett törzsekből és/vagy ezek hibridjeiből állítanak össze. Az ilyen populációk megfelelő genetikai variabilitásúak, de mégis reprodukálhatóan azonos minőségben.

A magatartás-genetikai irodalomban a leggyakrabban beltenyésztett törzsekkel végzett kísérletekkel találkozunk. Ha egy természetes vagy kültenyésztésű populációból kiemelünk egy tenyészpárt, és valamilyen beltenyésztési séma szerint – például testvér-testvér párosítás – szaporítjuk, néhány tíz generáció alatt a kiindulási pár négy génsorozatából véletlenszerűen kiszelektálódik és fixálódik egy adott kombináció, minden egyes lokusz esetében a négy lehetséges allélvariánsból egy, és így egy genetikailag nagymértékben homogén törzshöz jutunk. Általában húsz generációnyi beltenyésztés után, amikor az F értéke 0,986, beszélünk beltenyésztett törzsről. A beltenyésztett törzsek a magatartás-genetikus legtisztább analitikus eszközei. Egyedeik korlátlan számban szaporíthatok, biztosítják az azonos genetikai konstitúciót, lehetővé teszik a kísérleti eredmények pontos reprodukcióját és a környezeti, kísérleti különbségekre visszavezethető variabilitás mérését. Használatuk során a következőkre kell figyelnünk. A beltenyésztett törzsek homogenitása sohasem tökéletes, különösen nem, ha csak néhány tíz generáción keresztül folyt a beltenyésztés.

Ez több okra vezethető vissza. Az egyik lényeges ok a heterozigóták pozitív szelekciója. Az F érték a generációváltásból számított ideális állapotot tükrözi. A valóságban az életképesség, termékenység szempontjai miatt állandó szelekció megy végbe, és az iménti tulajdonságokban szerepet játszó gének egy része heterozigóta állapotban maradhat, tehát az F a valóságban sohasem éri el az 1-et. A másik lényeges ok a mutáció, amely állandóan új és új allélváltozatokat és ezáltal heterozigóciát is hoz létre. A heterozigócia kialakulása a mutációnak csak az egyik lehetséges hatása, sokkal fontosabb, hogy a mutáció miatt a beltenyésztett törzsek lassan megváltozhatnak, új és új allélok fixálódnak, amitől a törzs genotípusa megváltozik. Különböző laboratóriumokban végzett vizsgálatoknál – ha azonos, de néhány tíz generáció óta külön tenyésztett törzseket használnak – gyakran reprodukálhatatlanok az eredmények.

A magatartás-genetikai kísérleteknél különösen fontos figyelembe venni, hogy nem igaz az a gyakori állítás, amely szerint a beltenyésztett törzs tulajdonképpen a vad populáció egyetlen egyedét képviseli sok példányban. Erről szó sincs. A nagymértékben homogenizált genomot hordozó állat különleges, mesterséges képződmény. Számos reakciója szélsőséges, kevéssé hasonlít a vad típusú heterozigótákhoz. Előnye, hogy korlátlan számban adhat azonos genotípusokat és lehetővé teszi a kísérletek megbízható reprodukcióját, valamint a környezeti és genetikai variancia mérését.

A leggyakoribb magatartás-genetikai kísérlettípus a törzsek közötti különbség mérése. Ha statisztikailag értékelhető különbségeket kapunk egy adott viselkedési fenotípusban két vagy néhány homogén törzs között, bizonyítva látjuk, hogy a szóban forgó fenotípusos különbség genetikai okokra vezethető vissza. Ez kétségtelenül igaz, de az értékeléskor több tényezőt is figyelembe kell vennünk. Ha például nincsen különbség az adott fenotípus esetén két törzs között, ez még nem jelenti azt, hogy a két törzs genetikailag akár csak az adott fenotípus szempontjából azonos. Az ilyenfajta azonosságot csak keresztezési kísérletek alapján lehet kimondani.

Megbízható különbség esetén viszont nem feltétlenül bizonyos, hogy a bennünket érdeklő fenotípus élettani mechanizmusának szempontjából releváns a különbséget létrehozó genetikai háttér. Két beltenyésztett törzs sok ezer génben is különbözhet, a szervezetet szabályozó rendkívül bonyolult anyagcsere-mechanizmusokba egészen távol eső pontokon beavatkozva is létre lehet hozni változásokat egy adott magatartási fenotípusban. Az effajta aspecifikus különbségnek kicsi a jelentősége. Különösen nem jelenti egy ilyen aspecifikus génhatás, hogy „kimutattuk az X vagy Z magatartáselem génjét". Azok a törzsek közötti különbségek a hasznosak, amelyek a tanulmányozott fenotípus mélyebb élettani mechanizmusának felderítéséhez visznek közelebb, független vizsgáló módszerekkel is kiegészítve. Fontos tudni, hogy a genetikus mindig egy-egy adott gén allélváltozatainak hatását figyelheti meg, és nem tudja követni azokat a géneket, amelyekben a két vizsgált törzs megegyezik, mert ezek hatása genetikai módszerekkel nem mérhető.

A homogén törzsek mellett előnyösen használhatók heterogén állattörzsek is a magatartás-genetikában, ha biztosított a felhasznált egyedek izogenitása, vagyis a csoporton belül semmiféle genetikai variancia nincsen. A legegyszerűbben úgy jutunk izogén heterozigótákhoz, ha homogén beltenyésztett törzseket keresztezünk. A hibridek tulajdonságai már sokkal jobban megközelítik a vad populációkét, de semmiképpen sem azonosak azokéval.

A különböző egyéb, ritkábban használt populációkkal a magatartás-genetikai kísérletek leírásában fogunk foglalkozni.

Gének, öröklődésmenetek kimutatása

A következőkben néhány gyakran alkalmazott, egyszerű genetikai technikát mutatunk be, az egyszerűség kedvéért először a jól ismert morfológiai, majd a bonyolultabb magatartási fenotípusokon.

Akármilyen bonyolult is a különböző fenotípusok genetikai háttere, a genetikus munkája mindig a vizsgált egyedek vagy állatpopulációk genotípusának megállapítása a fenotípus variánsainak a birtokában. Ez aránylag egyszerű akkor, ha egyetlen génlokusz alléljait kívánjuk felderíteni. Az ivarsejtek mindig egy példányt tartalmaznak az adott génből, a megtermékenyítéskor keletkező zigóta kettőt, így a zigótában az ivarsejtekben jelen volt alléloktól függően két különböző állapot alakulhat ki. Ha a két egyesülő ivarsejt azonos alléit tartalmazott, akkor a zigóta és a belőle keletkező szervezet homozigóta lesz az adott alléira nézve. Ha az ivarsejtek különböző allélokat hoznak a zigótába, akkor az, illetve a kifejlődött szervezet heterozigóta lesz. A beltenyésztett törzs egyedei egymással párosodva mindig homozigóta utódokat hoznak létre, genetikai variabilitás az utódok között nincsen. Vannak olyan allélok, amelyek csak homozigóta állapotban hozzák létre a rájuk jellemző fenotípust. Mások hatása akkor is érvényesül, ha heterozigóta állapotban vannak. Az előbbieket recesszív, az utóbbiakat domináns géneknek nevezzük. Az ember albinizmusáért felelős „a” allél például recesszív, a normális pigmentációt kialakító „A” allél domináns. A következő táblázat szemlélteti az egyes genotípusoknak megfelelő fenotípust:

Genotípus

Fenotípus

A/A (homozigóta domináns)

A/a (heterozigóta)

a/a (homozigóta recesszív)

normális pigmentáció normális pigmentáció albínó, pigment nem fejlődik

Azok az allélok, amelyek egymás hatását nem befolyásolják, a kodomináns allélok, ezeknél a heterozigóta állapot fenotípusa különbözik mindkét homozigótáétól. Ilyenek az estike virágszínét meghatározó allélok.

Genotípus

Fenotípus

P/P (homozigóta)

piros

P/p (heterozigóta)

rózsaszínű

p/p (homozigóta)

fehér

Mint korábban említettük, vannak olyan gének is, amelyek egész sor különböző, polimorf változatban fordulnak elő. A fenotípust a zigótába kerülő allélok egymáshoz való viszonya szabja meg. A nyúl bundaszínét meghatározó C gén a nyúl „vad” színéért felelős. További alléljai pedig a C, cch, ch, c sorrendben dominanciahierarchiát alkotnak. Mindegyik gén domináns az utána következővel és recesszív az előtte állóval szemben:

Genotípusok

Fenotípus

C/C, C/cch, C/ch, C/c

vad színű

cch/cch

csincsilla

cch/ch, cch/c

világosszürke

ch/c, ch/ch

himalája*

c/c

fehér

*Fehér, de a füleket, a lábakat, valamint az orrot fekete foltok borítják.

A bemutatott példákból látható, hogy a fenotípusból nem lehet minden esetben egyértelműen következtetni a genotípusra, mert az allélok elfedhetik egymás hatását. A genotípus egyértelműen keresztezések segítségével állapítható meg. Egy génpár esetében hat típusa van a lehetséges keresztezési kombinációknak. A hat típust a tengerimalac bundájának színét meghatározó B/b génpár esetében mutatjuk be. A B allél hatására fekete pigment termelődik a szőrszálakban, a b gén recesszív, és homozigóta állapotban albinizmust alakít ki. Miután a heterozigóta szülők ivarsejtjei pontosan fele-fele arányban hordozzák az egyes allélokat, könnyű kiszámítani az egyes keresztezésekben a különböző genotípusok és fenotípusok arányait. A szülői generációkat P1-gyel és P2-vel, az első utódgenerációt F1-gyel jelöljük. A lehetséges keresztezési kombinációk:

 

P1

P2

F1

%

1.

B/B fekete

B/B fekete

B/B fekete

100

2.

b/b fehér

b/b fehér

b/b fehér

100

3.

B/B fekete

b/b fehér

B/b fekete

100

4.

B/B fekete

B/b fekete

B/B fekete

75

   

B/b fekete

25

5.

b/b fehér

B/b fekete

B/b fekete

25

   

b/b fehér

75

6.

B/b fekete

B/b fekete

B/B fekete

25

   

B/b fekete

50

   

b/b fehér

25

A genetikai kísérletek során, amikor külön specifikáció nélkül beszélünk F1 generációról, ezt általában a 3. típusú keresztezéssel hozzuk létre, vagyis legalább 1 homozigóta allélpárban különböző szülők párosításával. Az F2 generáció az F1 egyedek véletlenszerű párosításával hozható létre, vagyis a 6. típusú keresztezéssel (ha az első keresztezés 3. típusú volt). A fenotípus alapján a homozigóta domináns genotípus nem különböztethető meg a heterozigótától. A genotípus felderítése genetikai kísérlettel úgy történik, hogy a homozigóta recesszív szülővel keresztezzük az ismeretlen genotípust, majd az utódok fenotípusának megvizsgálásával eldöntjük, hogy a 3. vagy az 5. keresztezési típusnak felel-e meg; ezután a genotípus már könnyen kikövetkeztethető. Ha az ismeretlen genotípusú szülő domináns homozigóta, akkor a recesszív homozigótával keresztezve valamennyi F1 utód egyöntetűen domináns fenotípusú lesz (3), ha viszont az ismeretlen szülő heterozigóta, akkor az utódok 50%-ában a homozigóta recesszív fenotípus jelentkezik (5). Az ilyen keresztezéseket nevezik tesztkeresztezéseknek. Egyéb adatok nyerése céljából nemcsak a recesszív homozigóta, hanem a domináns szülővel is szoktak keresztezést végezni (4), a két típust visszakeresztezésnek nevezik. Az elmondottakat a következő összefoglaló szemlélteti:

Keresztezés

Az F1 utódok arányai

genotípusok

fenotípusok

1. B/B X B/B

mind B/B

mind fekete

2. b/b X b/b

mind b/b

mind fehér

3. B/B X b/b

mind B/b

mind fekete

4. B/B X B/b

0,5 B/B, 0,5 b/b

mind fekete

5. b/b X B/b

0,5 B/b, 0,5 b/b

0,5 fekete, 0,5 fehér

6. B/b X B/b

0,25 B/B, 0,5 B/b, 0,25 b/b

0,75 fekete, 0,25 fehér

Az egy génlokusz hatását vizsgáló keresztezésekben aránylag kevés fajta geno- és fenotípussal kellett számolni. A gaméták mindig vagy csak az egyik, vagy csak a másik alléit tartalmazzák, és az utódok között maximálisan három genotípus jelenhet meg. Sokkal bonyolultabb a helyzet, ha két génlokusz hatását vesszük figyelembe. A tengerimalac bundaszínét meghatározó B/b lokusztól teljesen függetlenül, egy másik kromoszómán található az L/1 lokusz, amelynek alléljai közül az L a rövidszőrűségért felelős és domináns, az 1 gén recesszív, és hosszú szőrű bunda növesztését idézi elő. A kétszeresen heterozigóta állat ivarsejtjei négyféle kombinációban hordozzák a fenti géneket. Bemutatjuk a homozigóta domináns és homozigóta recesszív szülők keresztezésével kapott F1 és F2 generációk genotípusait:

P1

B/B, L/L X b/b, 1/1

P2

fekete, rövid szőrű

F1

B/b, L/l

fekete, rövid szőrű

fehér, hosszú szőrű

Az F2 generációban nem kevesebb, mint 9 genotípus lesz, ezek kiszámítására használhatjuk Punnett „gamétatábláját”, a keresztezéssel kapható kombinációk ábrázolásának nagyon elterjedt módját.

Ivarsejtek

nőstény

hím

 

BL

Bl

bL

bl

BL

BBLL

fekete

rövid

BBL1

fekete

rövid

BbLL

fekete

rövid

BbLl

fekete

rövid

B1

BBL1

fekete

rövid

BB11

fekete

hosszú

BbLl

fekete

rövid

Bbll

fekete

hosszú

bL

BbLL

fekete

rövid

BbLl

fekete

rövid

bbLL

fehér

rövid

bbLl

fehér

rövid

bl

BbLl

fekete

rövid

Bbll

fekete

hosszú

bbLl

fehér

rövid

bbll

fehér

hosszú

Minthogy a különböző genotípusú ivarsejtek gyakorisága egyformán 0,25, könnyű kiszámítani az F2 generációban előforduló genotípusok és fenotípusok gyakoriságát. Az iménti táblázat alapján a következő megoszlásokat kapjuk:

genotípus gyakoriság

fenotípus

gyakoriság

BBLL 1/16

fekete, rövid

9/16

BBL1 1/ 8

fekete, hosszú

3/16

BB11 1/16

fehér, rövid

3/16

BbLL 1/ 8

fehér, hosszú

1/16

BbLl 1/ 4

  

Bbll 1/ 8

  

bbLL 1/16

  

bbLl 1/ 8

  

bbll 1/16

  

Ha összehasonlítjuk a táblázatot az egylokuszos tulajdonságok keresztezésekor kapott eredményekkel, azonnal szembetűnik két jellegzetes különbség:

1. Két lokusz esetében nagy a lehetséges genotípusok száma, és ezek közül néhány csak egészen kis gyakorisággal fordul elő (a gyakoriság megoszlása a kilenc genotípus esetében: 1:1:2:2:4:2:2:1:1.

2. A fenotípusok száma jóval kisebb a lehetséges genotípusok számánál, és ezek között is vannak egészen ritkák. (Az egyes fenotípusok gyakoriságának aránya: 9:3:3:1.)

Ha a lokuszok száma kettőnél is több, akkor ennek megfelelően nő a lehetséges genotípusok és fenotípusok száma, és egyre kisebb lesz egy adott fajtának a gyakorisága. Ha „n” egymástól független (különböző kromoszómán elhelyezkedő) fókuszban 2-2 alléit veszünk figyelembe, a lehetséges genotípusok száma 3", ha mindegyik allélpárban van egy domináns alléi, akkor a lehetséges fenotípusok száma 2". Ez például azt jelenti, hogy 10 független fókusz esetében 59 049-féle genotípus és 1024-féle fenotípus fordulhat elő. Az óriási számokból következik, hogy a szokásos laboratóriumi állatokkal (patkány, egér, tengerimalac) végzett keresztezések során kapott néhány utód genotípusa csak elenyészően kis részét teszi ki a lehetséges genotípusok számának. Vagyis az ilyen keresztezésből származó genotípusokat kizárólag további genetikai kísérletekkel (tesztkeresztezések a homozigóta genotípusokkal) lehet azonosítani. Ehhez már olyan nagy mennyiségű munka szükséges, hogy rendszerint nem éri meg elvégezni, helyette inkább egészen más jellegű, statisztikai módszereket alkalmazó eljárásokat fejlesztettek ki az egyes genotípusok értékelésére. A kettőnél több fókusz hatása alatt álló tulajdonságok genetikai vizsgálata a poligénes rendszerekhez tartozik, és ott fogunk vele részletesebben foglalkozni.

A fenotípus a különböző gének meghatározott környezetben való megnyilvánulása során alakul ki. A környezet nemcsak külső tényezőket, mint például hőmérséklet, fényviszonyok, táplálékellátottság stb. foglal magában, hanem olyan belső tényezőket is tartalmaz, mint például hormonok, szabályozó fehérjék, enzimek. Az utóbbiak szintézisét gének irányítják, nyilvánvaló tehát, hogy az anyagcsere során a különböző géntermékek egymásra is hatnak, és a fenotípus ezeknek a hatásoknak a végső eredménye. Az eddig tárgyalt genetikai hatásmechanizmusokban ezek a kölcsönhatások nem játszottak szerepet, olyan példákat mutattunk be, amelyekben az egyes gének hatása a fenotípusra a többiektől független.

Két független génfókusz egymásra hatását episztázisnak nevezik. Itt a legkülönbözőbb hatásokkal kell számolni. Például az egyik fókusz domináns allélja elnyomja a másik fókusz egyik vagy mindkét alléljának a hatását (domináns episztázis), vagy az egyik fókusz recesszív alléljai homozigóta állapotban nyomják el a másik fókusz alléljainak hatását (recesszív episztázis). Ilyen és ehhez hasonló kölcsönhatásoknak az eredménye, hogy az episztázisban részt vevő fókuszokkal kapott keresztezési kísérletekben a lehetséges fenotípusok száma kevesebb lesz és az arányok is megváltoznak. A normális 9:3:3:1 helyett domináns episztázis esetében az arány 12:3:1, recesszív episztázis esetében pedig 9:3:4.

így például a kutya bundaszínét meghatározó fókuszok közül az I/i és a B/b vannak episztázisban. Az I alléi gátolja a B/b fókusz színpigmentet kialakító alléljait, és akár homo-, akár heterozigóta állapotban van, fehér (albínó) bundaszínt eredményez. A recesszív i alléinak ilyen gátló hatása nincsen, az inhibitor fókusz homozigóta recesszív állapotában a BB vagy Bb fekete, a bb barna színt hoz létre. A dihibrid heterozigóták keresztezésekor a következő genotípusokat lehet kapni:

Pl fehér

I/i, B/b X I/i, B/b

P2 fehér

Fi

genotípus

arány

fenotípus

arány

IIBB

1

  

IIBb

2

  

IiBB

2

fehér

12

IiBb

4

  

IIbb

1

  

Iibb

2

  

iiBB

1

fekete

3

iiBb

2

  

iibb

1

barna

1

A fenotípusok 12:3:1 aránya domináns episztázisra mutat.

Az itt bemutatott egyszerű példákban a genotípus és a fenotípus közötti kapcsolat mindig egyszerű és egyértelmű volt. Nagyon sok esetben azonban egyetlen allél hatása nagyszámú fenotípust érinthet, esetleg nem is lehet pontosan meghatározni a fenotípust. Ennek egyik legismertebb esete, a sarlósejtes anémia öröklődő emberi betegség, amelynek pontos genetikai és biokémiai mechanizmusát már sikerült felderíteni. A sarlósejtes anémiában szenvedő beteg genomjában a hemoglobin szerkezetét meghatározó struktúrgén mutáns alléljai fordulnak elő. A mutáns allélok hatására keletkező hemoglobin oxigénmegkötő képessége nagyon hasonló a normális, vad típusú hemoglobinééhoz, de oldékonysága valamivel kisebb. A vörösvérsejtek a hemoglobint egészen tömény (kb. 30%-os) oldatban tartalmazzák. Ilyen tömény oldatban a mutáns hemoglobin gyakran kikristályosodik, különösen alacsonyabb oxigénkoncentráció esetén. A kikristályosodó hemoglobin pedig elroncsolja a vörösvérsejteket. A sarlósejtes anémia tünetei nagyon változatosak, a vérsejtek pusztulása miatt állandó vérszegénység jelentkezik, a növekedés visszamarad, gyakran jelentkeznek krízisek, amelyek lázzal, hasi fájdalmakkal, lábszárfekéllyel, agyi elváltozásokkal járnak. A tünetek alapján a fenotípus rendkívül bonyolult és változékony. Ha a betegség egy-egy jellemző elemét különválasztanánk és genetikai hátterét vizsgálnánk, minden esetben megtalálnánk a közös okot, a rendellenes hemoglobinmolekulát és a mutáns struktúrgént. Vagyis a nagyon bonyolult fenotípus rendkívül egyszerű genotípusra vezethető vissza. Az ehhez hasonló eseteket, amikor egyetlen gén hatására sokféle fenotípusbeli eltérés figyelhető meg, pleiotrópiának nevezzük. A fenotípus különböző elemeinek „végső” okai a genomban megtalálható gének. A látható, mérhető fenotípus elemei: a különböző „tulajdonságok” és a gének között helyezkedik el a fehérjék és kémiai reakciók kölcsönhatásaiból álló anyagcsere, valamint a sejt szintje feletti, a sejtek, illetve a szervek közötti szabályozó kapcsolatok bonyolult szövevénye. Ezek a kölcsönhatások nagyon gyakran felfokozzák, megsokszorozzák egy-egy gén hatását, ami a pleiotrópiában nyilvánul meg. Azokat a géneket, amelyek a fenotípus kialakulásában fontosabb, funkcionális szerepet játszanak „főgéneknek", a többieket „apró géneknek” nevezzük.

Viselkedési fenotípusok egyszerű genetikai vizsgálata

Az eddigi példákban szereplő egyszerű morfológiai fenotípusok genetikai vizsgálata is rávilágított a genetikai analízis nehézségeire. A fenotípusokat általában önkényesen jelöli ki a genetikus, és ez a fenotípus mögötti élettani szabályozómechanizmusok felderítését esetenként alaposan megnehezíti. Jelentősen fokozódnak a módszertani nehézségek, ha olyan önmagában is nehezen meghatározható, nehezen mérhető fenotípusra kerül sor, mint a viselkedés. Bevezetésként a pleiotrópia egyik esetét mutatjuk be, amely különösen jól mutatja ezeket a módszertani problémákat. Az ecetmuslicák a genetikus kedvenc állatai, mert gyorsan szaporodnak, aránylag egyszerű szerkezetű kromoszómáik vannak és főképpen azért, mert már óriási mennyiségű ismeret gyűlt össze róluk. Az ecetmuslicáknak ismert egy olyan mutánsa, amelynek a testszíne sárga (a vad típusú legyeké szürke), azt is tudjuk, hogy a sárga testszínért egy pontmutáció a felelős. Manning és munkatársai (1961) az ecetmuslicák szaporodási sikerét és annak magatartás-genetikai komponenseit vizsgálták, s kimutatták, hogy a sárga testű legyek szaporodási sikere jóval kisebb, mint a vad típusoké, méghozzá magatartásra visszavezethető okok miatt. Amikor a hím ecetmuslica udvarol a nőstényeknek, egy sajátos vibráló szárnyrezegtetést végez. A mutáns legyek hímjeinek ez a viselkedése megváltozott, a szárnyrezegtetések időtartama rövidebb lett és gyakoriságuk is kisebb az udvarlás közben. Ennek az a következménye, hogy ha a nőstények választhatnak a normális és a mutáns udvarlók között, akkor többnyire a normálisakat választják, amelyek szárnyaikkal szebben udvarolnak. Ez természetesen alaposan csökkenti a mutánsok szaporodási sikerét.

A testszín és a viselkedés között nyilvánvalóan nagyon távoli a kapcsolat, a felelős gén mégis azonos. Azon kívül, hogy ez az eset jó példája a pleiotrópiának, nem sokkal járult hozzá az udvarlás genetikai hátterének felderítéséhez. De így is sokat segített abban, hogy az udvarlási pózolásban a szárnyrezegtetés fontos szerepére fény derüljön.

Amikor etológusok is kezdtek bekapcsolódni a magatartás-genetikai vizsgálatokba, sokan reménykedtek abban, hogy a magatartási egységek vagy azok komponensei, a magatartási elemek olyan fenotípusnak bizonyulnak majd, amelyek nagyon egyszerű „egy gén - egy magatartási elem” kapcsolatokat tárnak fel. Az első ilyen jellegű vizsgálatok megerősítették ezeket a várakozásokat.

Rothenbuhler (1964) házi méheket tanulmányozott. A házi méheket pusztító betegségek egyike a fertőző lárvarothadás. Ezt egy pálcika alakú baktérium, a lárvabacilus (Bacillus larvae) okozza. Vannak azonban olyan méhcsaládok is, amelyek a fertőzést könnyen átvészelik, és ez egyértelműen a magatartásukra vezethető vissza. Az ilyen méhcsaládok dolgozói, ha beteg vagy elpusztult lárvákat, bábokat találnak az egészségesek között, akkor a fertőzött bábot tartalmazó méhsejt viaszfedőjét azonnal eltávolítják, a bábot kiszedik, kidobják a kaptárból, a kiürített sejteket pedig kitisztítják. Ezt a tevékenységet Rothenbuhler higiénikus viselkedésnek nevezte el. A betegségre fogékony méhcsaládokban ez a viselkedés csak jóval ritkábban figyelhető meg, emiatt a fertőzés a rothadó bábokról gyorsan átterjed az egészségesekre is.

A higiénikus viselkedés két magatartáselemből tevődik össze: a viaszfedő kinyitásából és a beteg báb vagy lárva eltávolításából. A két elem függetlensége és viselkedési „egység” jellege genetikai kísérletekkel igazolódott.

Higiénikus és nem higiénikus törzsek keresztezésekor az F1 családok sohasem mutatták a higiénikus viselkedést, ami az itt szereplő gének recesszív jellegére mutat. A méhek jellegzetes haplo-diploidiájuk miatt különösen alkalmasak genetikai tanulmányokra, mert a hímek haploidok, sejtjeik egyetlen sorozatban tartalmazzák csak a kromoszómákat. Miután a testi sejtjeik haploidok, az ivarsejtek keletkezésekor meiózis nem megy végbe, és így minden egyes ivarsejt pontosan azonos génsorozatot hordoz. Elegendő volt tehát az F1 nemzedék hímjeinek néhány tíz példányát visszakeresztezni a recesszív törzs diploid nőstényeivel, hogy a közreműködő géneket azonosítani lehessen. Amikor tehát az F1 nemzedéket visszakeresztezték a higiénikus (recesszív) törzzsel, az utódcsaládok négy jól megkülönböztethető csoportra oszlottak. Egynegyedük higiénikus magatartást mutatott, másik negyedrész nem volt higiénikus. A maradék harmadik és negyedik negyedrész a higiénikus magatartásnak csak egyik vagy másik elemét mutatta. Az egyik csoport dolgozói eltávolították ugyan a beteg bábokat tartalmazó sejtek fedőit, de hozzá sem nyúltak a rothadó tetemekhez. A másik család tagjai nem végezték el a fedőeltávolítást, de ha (a kísérletező beavatkozása nyomán) kinyitott sejtben beteg lárvát találtak, azt nyomban eltávolították és a sejtet kitisztították. A kísérletek alapján Rothenbuhler két lokusszal modellezte az észlelt jelenségeket (49. ábra).

49. ábra - „Méhek higiénikus viselkedésének öröklődése - A higiénikus viselkedés két magatartáselemből tevődik össze: a viaszfedő kinyitásából és a beteg báb vagy lárva eltávolításából. A két elem függetlensége és viselkedési „egység” jellege genetikai kísérletekkel igazolódott. A keresztezési kísérletek alapján Rothenbuhler két lokusszal modellezte az észlelt jelenségeket. Az u lokusz a fedő kinyitásáért, az r lokusz pedig a beteg lárva eltávolításáért felelős. A tevékenység végrehajtása csak a recesszív allélok homozigóta állapotában, az u/u, r/r kombinációban történik meg. Az U és az R allél domináns, jelenlétükben egyik magatartáselem sem figyelhető meg a felnőtt állatokban (Rothenbuhler, 1964 nyomán)

kepek/049.jpg


Az u lokusz a fedő kinyitásáért, az r lokusz pedig a beteg lárva eltávolításáért felelős. A tevékenység végrehajtása csak a recesszív allélok homozigóta állapotában, az u/u; r/r kombinációban történik meg. Az U és az R alléi domináns, jelenlétükben egyik magatartáselem sem figyelhető meg a felnőtt állatokban.

Az persze nagyon valószínűtlen, hogy egy-egy gén teljes mértékben meghatározzon ilyen bonyolult magatartáselemet, mint a fedő kinyitása vagy a beteg lárvák eltávolítása. Ehhez feltehetően több más gén funkciójára is szükség van. Az is különös, hogy az aktív, adaptív értékű cselekvés alléljai recesszívek. A legvalószínűbb feltevés az, hogy a higiénikus viselkedést kialakító neurobiokémiai folyamatok láncában egy defektus vagy gátlás hozza létre a nem higiénikus magatartást, és az itt szereplő két lokusz ezekért felelős. A különös dominanciaviszonyok csak úgy magyarázhatók, ha feltételezzük, hogy a recesszív viselkedés, az aktív magatartás megjelenéséhez mindkét recesszív alléi – például az u/u – termékére szükség van. Esetleg úgy, hogy a mutáns domináns gén terméke gátolni képes a normális (recesszív) változat működését. Akármi is a valóságos helyzet, a higiénikus viselkedés genetikai analízise is alátámasztja azt az elképzelést, hogy a magatartás önálló kisebb elemekre, egységekre bontható.

Sokféle más állaton is igyekeztek azután az előzőekhez hasonló elegáns kísérleteket végezni, mint látni fogjuk, nem túlságosan nagy sikerrel. Valószínűleg csak igen ritkán sikerül egy gén - egy magatartáselem összefüggéseket kimutatni, mert a viselkedés sokkal bonyolultabb, mint ahogyan azt korábban feltételezték. Mindenesetre ezek a kísérletek nagymértékben megerősítették az etológusok elméleteit a magatartás egységekre bonthatóságát illetően, még akkor is, ha ezeket az egységeket, mint kiderült, ritkán szabályozza egyetlen gén.

Eleinte a fajokra legjellemzőbb fajspecifikus, formaállandó magatartások genetikai hátterét vizsgálták, mert a viselkedési egység mérése és a mérések reprodukálhatósága itt látszott a legmegbízhatóbbnak. Minthogy a fajon belüli variabilitás ezeknek az elemeknek az esetében egészen minimális, és megfelelő beltenyésztett törzsek vagy mutánsok nem álltak rendelkezésre, a legcélszerűbbnek a fajhibridek analízise látszott. Lehet olyan közeli rokonságban lévő fajokat találni, amelyek laboratóriumban egymással keresztezhetők, az utódok néha még termékenyek is, és emellett egy vagy néhány meghatározott öröklött mozgási sémában különböznek egymástól. Franck (1970) az akvaristák népszerű mexikói kardfarkú halának, a Xiphophorus hellerinek és közeli rokonának, a Xiphophorus montezumának hibridjeivel végzett ilyen kísérleteket. A két szülői faj jellegzetes különbségeket mutat a hímek udvarló magatartásában. A X. helleri hímek gyors úszással közelítik meg a nőstényeket, közvetlenül előttük hirtelen megállnak, úszóikat kifeszítve lassan hátrálnak a nőstény. felé, mellé érve újra gyorsan előre-, majd visszaúsznak. Ezt a váltakozó mozgást kétféleképpen végezhetik: vagy „paralel", fej-fej állásban, vagy pedig „antiparalel” állásban vannak a nősténnyel. Ez utóbbit „hátrálásnak” nevezték el, s ez az elem sohasem figyelhető meg a X. montezuma hímeken. Jellemző viszont rájuk egy másik elem: a nőstényekhez képest derékszögben „feszítenek", miközben farokúszójuk alsó, kardszerűen meghosszabbodott sugarát (erről kapták a nevüket) elfordítják a nősténytől. Ennek az elemnek „frontális pozíció” lett a neve, és sohasem figyelhető meg a X. helleri hímeknél. Egy harmadik, kizárólag a X. montezuma hímeknél megfigyelhető mozdulat az, hogy amikor a nőstényekhez képest paralel

állásban vannak és lassan úsznak előre, a kardjukat mindig elhajlítják a nősténytől. Ennek az elemnek a neve: „kardhajlítás". Ezen három elemen kívül természetesen az udvarlásnak még több olyan részlete is megfigyelhető, amely a két fajnál közös. Franck részletesen analizálta ezeknek az elemeknek a felbukkanását a X. helleri x X. montezuma hibridekben, a szülői visszakeresztezésekben és a X. montezuma szülővel végzett visszakeresztezés eredményeképpen létrejött B2 populációnak újabb, a X. montezumával való visszakeresztezéseiben, a B3, illetve a B4 populációkban. A genetikai vizsgálat menetét és eredményeit az 50. ábra mutatja.

50. ábra - „A viselkedés öröklődésének vizsgálata fajhibridek segítségével - Két rokon halfaj, a Xiphophorus helleri és a Xiphophorus montezuma jellegzetes különbségeket mutat a hímek udvarló magatartásában. Az F1 hibrid, az F2 nemzedék és a szülői vonalakkal visszakeresztezett utódnemzedékek (F1 x X. helleri és F1 x X. montezuma), valamint a sorozatos visszakeresztezések (B2, B3, B4) az egyik szülői vonallal (Bn-1 x X. montezuma) viselkedésének analízise alapján megállapítható, hogy az egyes elemek egymástól függetlenül öröklődnek, a populáció egyedeiben a legváltozatosabb kombinációkban jelennek meg a X. hellerire és a X. montezumára jellemző viselkedési jegyek. A közölt adatokból látható, hogy az egyes elemek öröklésmenete túl bonyolult ahhoz, hogy egyszerű egylokuszos öröklődésről legyen szó, sokkal valószínűbb a poligénes jelleg (Franck, 1970 nyomán)

kepek/050.jpg


Az ábrán látható számszerű adatokhoz, amelyek az egyes magatartáselemek előfordulási gyakoriságát mutatják az udvarlási aktusok százalékában kifejezve, még a következőket lehet hozzátenni. Nagyszámú udvarlási jelenetet analizálva megállapítható, hogy az F1 hibridekben a szülői fajokra jellemző magatartás-szekvenciák felbomlottak és esetenként keverten jelennek meg. Nagyon erős vagy nagyon gyenge ingerszituációkban előfordul, hogy a teljes apai vagy anyai magatartásforma hiánytalanul, a másik szülőre jellemző elemek beépülése nélkül jelenik meg (az erre vonatkozó adatok az ábrán nem szerepelnek). Ez azt jelenti, hogy a hibridekben kiépül a mindkét szülői magatartásforma elemeinek megjelenítéséhez szükséges neurális információ. Átlagos helyzetben mindkettőből aktiválódnak bizonyos elemek, ez vezet a keveredéshez. Különleges ingerekre vagy az egyik, vagy a másik elemsorozat egészében aktiválódik. Az F2 és a visszakeresztezett generációk analízise alapján megállapítható, hogy az egyes elemek egymástól függetlenül öröklődnek, a populáció egyedeiben a legváltozatosabb kombinációkban jelennek meg a X. hellerire és a X. montezumára jellemző viselkedési jegyek. A közölt adatokból látható, hogy az egyes elemek öröklésmenete túl bonyolult ahhoz, hogy egyszerű egylokuszos öröklődésről legyen szó, sokkal valószínűbb a poligénes jelleg. Ha feltételezzük az egyes elemek poligénes jellegét meglepő, hogy az elemek még több generációnyi visszakeresztezés után is megjelennek, mint például a hátrálás eleme a X. montezuma szülővel végzett visszakeresztezéseknél a B2, a B3, és a B4 populációkban. Erre csak egyetlenegy magyarázat lehetséges: ha feltételezzük, hogy egy-egy magatartáselem megjelenéséért felelős gének egy-egy kromoszómán elég szorosan egymás mellett vannak, és csak lassan válnak szét a rekombináció során. Ennek bizonyítására természetesen további kísérletekre lenne szükség.

Hasonló típusú kísérletekben Lade és Thorpe (1964) vizsgálták különböző galambfajok hibridjeiben a hímek udvarló magatartását, egyes mozdulatelemeket és a jellegzetes turbékoló hangokat. Az eredmények hasonlóak voltak azokhoz, amit Franck a halaknál kapott. Az egyes magatartási egységek egymástól függetlenül öröklődnek, az F1 hibridekben általában mindkét szülőre jellemző forma megfigyelhető, a további generációkban pedig az egyes egységek egymástól függetlenül öröklődnek, kombinálódnak. Egy-egy magatartási egység, pontosabban a fajok között megfigyelhető különbségek itt is valószínűleg több gén hatására alakulnak ki.

Dilger (1962) és Buckley (1969) afrikai törpepapagáj fajokat keresztezett, és a hibridek fészeképítő viselkedését tanulmányozta. Az egyik szülő az Agapornis personata fischeri, Fischer törpepapagája, a másik az Agapornis roseicollis, a rózsás törpepapagáj volt, a madárkedvelők mindkettőt jól ismerik. A két faj különböző módszert használ a fészekanyag gyűjtésére. Fischer törpepapagája hosszú, vékony szeletekre tépi a különböző növények háncsrétegét vagy a laboratóriumban vékony szeleteket hasít egy darab selyempapírból, és a csíkokat a csőrében szállítja a fészekbe. A rózsás törpepapagáj szintén szeletkékre vágja a fészeknek való anyagot, de azt nagyon ritkán viszi el a csőrében, ehelyett leereszti a szárnyait, és a farka körül a tollai közé dugdos 4-5 elkészített növényi rostot vagy papírszeletet. A szálakat fejének sajátos gyors „rezegtetésével” igazítja a tollak közé. Ezután az egész rakományt elszállítja a fészekhez. A szállítás módja mindkét faj esetében öröklődő magatartás, az első költéskor azonnal a megfelelő módon fognak a fészekanyag gyűjtéséhez. A két faj a természetben nem hibridizálódik, de laboratóriumban könnyen keresztezhetők. Dilger a következőket figyelte meg a hibridek első fészkének építése közben: a hibrid madár – ugyanúgy, mint bármelyik szülőfaj – hosszú, vékony csíkokra szabdalta a rendelkezésére álló fészekhez alkalmas anyagot. A felszabdalás után következett a „rakodás” művelete, és itt a hibrid egészen különlegesen viselkedett. Szárnyait leeresztette, tollai közé rakott 4-5 szálat, majd felrepült, láthatóan a rózsás törpepapagáj szülő mintáját követve. A madár elrepült, de a fészekanyag ottmaradt! A hibrid magatartásából hiányzik ugyanis egy lényeges elem: amikor a tollak közé helyezi a szálakat, nem „rezegteti” a fejét, mint a rózsás törpepapagáj, ezért a szálak nem kerülnek elég mélyen a tollak közé, és a felrepülés pillanatában szanaszét potyognak. A fészekhez érve a madár észleli, hogy útközben elvesztette a szálakat, azonnal visszamegy a gyűjtőhelyre és újra szeleteket szabdal. (Ez nagyon fontos megfigyelés! Ebből látható, hogy a szabdalás-rakodás-hordás magatartás-sorozat szigorúan megszabott. Nem az elveszített szálakért megy vissza, hanem új szálakat készít az állat. Az öröklött magatartás-mintázatoknak ez nagyon lényeges vonása!) Az új szálakat ismét tollai közé rakja, felrepülés közben megint elejti, és a továbbiakban ez az eredménytelen körfolyamat órákon keresztül ismétlődik. A rózsás törpepapagáj szülő nagyon ritkán szállít fészekanyagot a csőrében, a Fischer-papagáj viszont kizárólag ezt teszi. A sokórás próbálkozás során egyszeregyszer a hibrid is a csőrébe vesz egy szálat, és a csőrében viszi azt a fészekhez. Az egyik megfigyelt hibridnek három órára volt szüksége ahhoz, hogy az első szálat sikeresen elfuvarozza a fészekhez. Több éven keresztül, sok költés alkalmával figyelték a madarakat. A hibrid nagyon lassan, de megtanulta, hogy csak a csőrében képes elszállítani a fészekanyagot. A szállítást azonban még többéves gyakorlat után is úgy végzi, hogy több szálat vág le egyszerre (rózsáspapagáj-tulajdonság), egyet a csőrébe vesz, leereszti a szárnyait (rózsáspapagáj-tulajdonság), fejével odahajol a farkához, mintha elhelyezné a szálakat a tollak között (rózsáspapagáj-tulajdonság), de nem engedi ki a csőréből a szálat (tanult elem!), hanem visszahúzza a fejét, és a szálat csőrében tartva elrepül a fészekhez (Fischer-papagáj-elem).

A szülői fajok és a hibrid viselkedésének néhány adata:

A hibrid viselkedése egyértelműen demonstrálta, hogy a hibrid központi idegrendszere a mindkét szülőben megfigyelhető magatartási elemek előállítására képes, kivéve a fej rezgetését. Ezen túl mutatja, hogy tanulás révén miként kapcsolódhatnak össze eredményes magatartás-láncolattá öröklött elemek (51. ábra).

51. ábra - Agapornis-fajok fészeképítő viselkedésének vizsgálata - Két afrikai törpepapagáj faj (Agapornis personata fischeri, Fischer törpepapagája és Agapomis roseicolis, rózsás törpepapagáj) és fajhibridjük fészeképítő viselkedésének összehasonlítása alapján képet kaphatunk a fajspecifikus magatartáselem-sorozat szerveződéséről (Dilger, 1962 és Buckley, 1969 nyomán)

kepek/051.jpg


Buckley további részletes adatokat közölt az általa megfigyelt hibridek viselkedéséről, érdemes ezekből néhányat itt megemlíteni. Megfigyelhető a hibridek viselkedésében néhány olyan elem, amely egyik szülőfajban sem mutatható ki, de ősibb rokon fajokban megtalálható. Így például a hibrid nemcsak a farktollak közelében dugdossa a fészekanyagot, mint a rózsáspapagáj, hanem testének hátsó részében mindenfelé, ez a magatartás jól megfigyelhető más primitívebb Agapornis-fajokban (A. cana, A. taranta, A. pullaria). A hibrid hímje gyakran szállít maga is, sőt a fészekanyagot segít összevagdosni. Ez a magatartás a szülő fajokban nem figyelhető meg, ellenben gyakori a távolabbi rokon Loriculus-fajokban.

Faj

a szállítás módja:

csőrben

tollak között

Agapornis roseicollis

3 %

97%

F1 hibrid

kezdetben

6%

94%

gyakorlat után

41%

59%

Agapornis fischeri

100 %

0%

Az előbb leírt szállítási viselkedés nyilvánvalóan a két szülő magatartáselemkészletének összerakásával jött létre. További megfigyelések hasonló hibrid magatartásegységek kialakulását mutatják. Így a rózsáspapagáj mindig a végén fogja meg a szálakat, és így dugja be őket a tollai közé. A Fischer-papagáj, mivel a csőrében szállít, bárhol megragadhatja az előkészített szálat. A hibrid madárnál gyakran megfigyelhető, hogy a szálat középen fogja meg és úgy igyekszik a tollai közé dugni, ami célszerűtlen viselkedés, eleve megnehezíti feladatát. Megfigyelhetők teljesen új, hibás elemek is a hibrid viselkedésében: a hibrid nőstények terméketlen tojásokat tojnak, ezeket azonban nem kísérlik meg kikölteni, hanem azonnal elfedik a fészekben, vastag fészekanyagréteggel borítják be.

Egy másik jellegzetes elemkapcsolat a következő: a Fischer-papagáj gyakran szállít a csőrében vékony ágdarabokat is, amelyeket nem szabdal fel előzőleg. A rózsás kizárólag vékonyra szeletelt szálakat szállít a tollaiban. Nos, a hibrid gyakran próbál meg ágakat dugdosni a tollai közé. Különösen érdekesek voltak azok a megfigyelések, amelyek a fejrezgetés elemre vonatkoztak. A Fischer-papagájnál ez az elem teljesen hiányzik, mert a tollai között nem szállít, a rózsáspapagáj ezzel az elemmel biztosítja a tollak közé dugdosott szálak rögzítését. A hibrid viselkedésében ez az elem hiányzik. Buckley megfigyelte, hogy amikor a hibrid a farkába szálakat helyezett, és éppen a fej rezgetésének kellett volna következnie, gyakran jellegzetes „helyettesítő cselekvés” lépett fel: a madár a fejét vakarta vagy a tollait kezdte tisztogatni. Az etológiában jól ismert ez a jelenség, később fogunk vele részletesen is foglalkozni. Mindig valamilyen konfliktushelyzetre mutat, amikor egyidejűleg két különböző magatartási elem aktiválódik az állatban. Verekedő sirályok például a harc szüneteiben gyakran kezdenek füvet tépkedni vagy tollaikat tisztogatják, ami annak a jele, hogy a támadás és a menekülés konfliktusában vannak.

Itt valószínűleg a tollak közé rakosgatás és a csőrben tartott anyaggal való előrehaladás konfliktusáról van szó. Erre mutatnak olyan mozgások, amelyekben például a hibrid a csőrében tartott szállal hátrafordul, és fejével közelít a farokhoz, majd hirtelen nagy ívben előrerándul. Ilyen mozgás egyik szülőnél sem figyelhető meg. Az is előfordul, hogy a csőrben fészekanyag van, a fej hátrafordul a farok felé, és hirtelen az egész állat megindul hátrafelé.

Variábilis fenotípusok genetikai vizsgálata

A bevezetésben említettük a különböző tulajdonságok molekuláris alapjainak kérdését. Azt állítottuk, hogy az élőlények valamennyi tulajdonsága visszavezethető a sejtekben zajló kémiai reakciókra és végső soron a gének anyagára, a DNS-re. Az eddigi példákban a morfológiai jegyek öröklődésének esetében ez a visszavezetés szinte teljesen problémamentes. Egy állat bundájának színét a szőrszálakban lévő pigmentek hozzák létre, és pontosan felderíthetők azok a kémiai reakciók, amelyek során ezek a pigmentek létrejönnek. A pigmentszintézis kémiai reakcióit katalizáló enzimek struktúrája pedig egyértelműen visszavezethető a megfelelő gének működésére. Az esetek többségében azonban ez a visszavezetés nem ennyire egyszerű, mert számolni kell a környezet hatásaival is. A már tárgyalt példában a nyúl bundaszínét meghatározó ch gén himalája fenotípust hoz létre homozigóta (ch/ch) vagy a c génnel heterozigóta (ch/c) állapotban. Ezt a fenotípust a test nagyobb részének fehér (albínó) színe, valamint a végtagok, a fül, a farok és az orr fekete foltjai jellemzik. A fenotípus részletesebb vizsgálata kimutatta, hogy a fekete foltok az alacsonyabb hőmérsékletű testtájakon jelennek meg. Ha a fejlődő himalája nyulak testfelületének egy-egy darabját tartósan lehűtjük, akkor a hűtés helyén is megjelenik a szőrzet fekete elszíneződése. A külső hőmérséklet emelése viszont megakadályozza a fekete szőr kifejlődését, 35 °C-on nevelve a himalája nyulakat, teljesen fehér példányok fejlődnek ki. Biokémiai vizsgálatok kiderítették, hogy ezekben az állatokban a fekete színt létrehozó melanin képződéséhez szükséges egyik enzim, a tirozináz hőmérséklet-érzékeny, és ez okozza az ismertetett jelenséget. A fenotípus kialakulása tehát két hatás – a gének és a környezet – eredménye. Ugyanaz a genotípus más és más fenotípushoz vezethet különböző környezetben, és azonos környezet sokszor azonos fenotípust hoz létre különböző genotípusokból. Egy-egy, az anyagcserében közreműködő enzim aktivitását, mennyiségét bonyolult szabályozórendszerek határozzák meg. Ezek a szabályozórendszerek biztosítják a környezet hatásainak (hőmérséklet, különböző vegyületek jelenléte stb.) érvényesítését. A himalája nyúl esetében pontosan ismerjük a környezet szabályozóelemét (hőmérséklet) és a hatás kulcspontját (tirozináz). Nagyon sok olyan fenotípus-genotípus kombináció van, ahol csak a környezeti hatás ténye ismert, a hatás mechanizmusa még felderítetlen.

Emberben például ritkán előforduló öröklődő rendellenesség a polidactylia, a fenotípust a kezeken vagy a lábakon található szám feletti ujjak jellemzik. Ezt a fenotípust a domináns „P” gén hozza létre. Családfák analízisével kimutatható, hogy a domináns gén nem nyilvánul meg minden egyes fenotípusban. Előfordul, hogy a domináns gént hordozó ember kéz- és lábcsontjai teljesen normálisan fejlődnek. Valószínűleg a fejlődő test belső miliője szabja meg, hogy a P gén hatása a fenotípusban kifejeződik-e vagy sem. Nem ismerjük a génhatást befolyásoló faktorokat, sem a hatás módját. Csupán azt tudjuk, hogy a P gént hordozók kb. 70-80%-a polidactyliás fenotípusú és 20-30%-a teljesen normális. Ez a jelenség a génpenetrancia. Egy gén penetranciája százalékban kifejezve megmutatja azt az arányt, amelyben az illető génre jellemző fenotípus a gén hordozói között előfordul. A génpenetrancia természetesen megnehezíti a genetikai analízist, mert bizonytalanná teszi a fenotípus alapján történő genotípus-meghatározást. Hasonlóképpen bonyolítja a helyzetet az a tény, hogy egy-egy gén fenotípusra kifejtett hatásának több fokozata létezik. Ez a jelenség a génexpresszivitás. A génexpresszivitás is függvénye lehet a külső körülményeknek, de a genotípusnak is.

A génexpresszivitás bizonytalansága különösen nagy eltérések forrása lehet abban az esetben, ha – mint a legtöbb magatartási fenotípusnál – az adott fenotípust valamilyen mérték alapján kell meghatározni. Ha egy egér új környezetbe kerül, jellegzetes „ágaskodó” magatartást mutat. Ennek a magatartásegységnek számos jól mérhető paramétere van: az előfordulási gyakoriság, az, hogy milyen magasra ágaskodik az állat, milyen hosszan stb. Akár egy egyedet figyelünk meg többször, akár egy adott populáció különböző egyedeit, azt fogjuk találni, hogy a mérhető adatok variábilisak, bizonyos mértékig szórnak. Különösen feltűnő ez, ha például két különböző beltenyésztett törzs egy-egy csoportját vizsgáljuk: a csoportok adatai két különböző csoportosulást mutatnak, két különböző átlag körül szórnak. Ilyen és hasonló esetekben csak statisztikai módszerekkel lehet a fenotípust megállapítani és csoportok, populációk közötti esetleges fenotípusbeli eltéréseket kimutatni. Az ilyen típusú tulajdonságokat, miután mérhetőek, szokás mennyiségi vagy típusoknak nevezni. Mennyiségi jellegek esetében a genetikai háttér legtöbbször nem egyetlen, hanem sok génből áll, ez utóbbi tulajdonságok ismertetésére még visszatérünk. Most egészen elemi szinten bemutatjuk azokat a legfontosabb fogalmakat, amelyekkel a kvantitatív genetika dolgozik.

Ha valamilyen tulajdonság mérhető, akkor a rendszer tanulmányozásához legelőször egy skálára van szükségünk, hogy az egyedek fenotípusát mérni tudjuk. A növekedési sebesség, a testtömeg genetikai hátterének vizsgálatakor ez nyilvánvalóan tömegskála lesz, magatartás-vizsgálatoknál pedig az adott tulajdonság mérésére kialakított tetszőleges skála. Az egérkíváncsiságot mérhetjük például az ágaskodások gyakoriságával. Patkányok intelligenciájának vizsgálatakor azt szokták mérni, hogy hány hibát vétenek egy bonyolult labirintusrendszeren való áthaladás során. A hibapontok lehetséges száma adja a skála értékeit.

A skála megválasztása után ismert genetikai tulajdonságú állatpopulációk egyedeinek fenotípusát megmérjük, és minden populációra megszerkesztjük a fenotípusos értékek eloszlási függvényét. A legtöbb statisztikai eljárást akkor alkalmazhatjuk, ha a mért értékek eloszlása jellegzetes, ún. haranggörbét ad (Gauss-féle normális eloszlás (52. ábra).

52. ábra - „Normális eloszlás - A mennyiségi vagy kvantitatív fenotípusok esetében a genetikai háttér legtöbbször nem egyetlen, hanem sok génből áll. A poligénes rendszer minden egyes génje külön-külön csak kismértékben hat a fenotípusra, és ha nagyszámú egyedet veszünk számításba, folytonos (vagy csaknem folytonos) fokozatsor figyelhető meg a csoporton belül a kvantitatív jelleg mértékét illetően. A variációs számsort grafikusan ábrázolva felrajzolhatjuk az adott genetikai vonal variációs görbéjét. Az adatok eloszlása különböző típusú lehet, de a legáltalánosabb az ábrán látható normális eloszlás. A normális eloszlásnak két paramétere van, az átlagérték (számtani átlag, μ) és a szórás ( σ). Normál eloszlás esetén a sokaság egyedeinek 68,26%-a az egyszeres szórásértékek tartományába (± σ) esik, a kétszeres szórásértékek közé (± 2σ) a sokaság 95,45%-a jut, a háromszoros szórásértékek (±3σ) tartománya pedig az egész sokaság 99,73%-át fedi

kepek/052.jpg


Egy adott fenotípus értékeinek eloszlásfüggvénye sokféle okból eltérhet a normálistól, például nem lineáris a skála. Ilyen esetekre különböző matematikai módszereket dolgoztak ki, amelyekkel lehetséges az adatok normális eloszlásra való visszavezetése. Bizonyos esetekben célszerű a skála transzformációja, a mért értékek logaritmusának, négyzetgyökének vagy egyéb transzformált értéknek a használata. Ezeknek a módszereknek a részletezésével itt nem foglalkozunk. A normális eloszlásnak két fontos paramétere van. Az egyik az átlagérték (μ), amely a mért értékek számtani közepe. Figyelembe kell vennünk, hogy egy teljes populáció minden egyes tagjának a megmérésére többnyire nincs módunk. Csak egy mintát mérünk, így átlagértékünk csak a minta átlagát jellemzi, bizonyos mintavételi hibával, amelynek kiszámítására szintén vannak statisztikai módszerek.

Az átlag mellett a módszertani részben már említett szórást (σ) tartják az egyes adatcsoportok másik legjellemzőbb paraméterének. Minden normális eloszlásra jellemző például, hogy a mért értékek kétharmada (68%-a) a átlagérték 1 szórástartományba esik, a méréseknek kb. 95%-a a átlagérték 2 szórástartományba, 99%-a pedig az átlagérték 3 szórástartományba esik. A szórás számításából következik, hogy a nagyobb átlagértékű populációk szórása is nagyobb lesz, ezért két populáció összehasonlítására a legcélszerűbb a variációs koefficienst használni, amely független a mérésre használt skála értékeitől:

variációs koefficiens= σ2μ

Nagyon sokféle kedvező statisztikai tulajdonsága van az átlagtól való eltérés négyzetösszegének, amelyet minden egyes adat esetében kiszámítva és átlagolva a szórásnégyzethez (σ2) vagy varianciához jutunk. Ezt a továbbiakban az elterjedtebb V-vel jelöljük. A variancia egyik legfontosabb tulajdonsága, hogy a variabilitást létrehozó hatások alapján additív komponensekre bontható, és így az egyes hatások relatív nagyságrendje meghatározható. A kvantitatív genetika egyik legfontosabb eljárása a variancia komponensekre bontása, a már szinte önálló tudományággá fejlődött genetikaivariancia-analízis.

Átlagtól való eltérést nemcsak a környezeti komponensek, mérési bizonytalanságok, hanem a genetikai háttér variabilitása is létrehozhat, például egy vad típusú populációban vagy beltenyésztett törzsek keresztezéséből származó F2 populációkban. Ha azonos genetikai architektúrájú populációkat meghatározott és jól szabályozott környezeti tényezőknek teszünk ki, akkor a különböző környezetben vizsgált populációk varianciáiból pontosan ki lehet számítani azt a varianciakomponenst, amely az adott környezeti különbségek hatására jött létre. Így a populáció mért, teljes fenő típusos varianciája (Vf) mindig felbontható legalább két komponensre, a genetikai (Vg) és a környezeti varianciára (Vk), vagyis:

V f=V g + V k.

Ez az egyenlet a kvantitatív genetika és a magatartás-genetika alapegyenlete. Részletesebb elemzéskor kiderülhet, hogy lehetnek olyan speciális genotípusok, amelyek egy-egy meghatározott környezeti tényező esetén különösen nagy értékkel térnek el az átlagértéktől, és így egy ún. interakciós komponenssel bővül az előző egyenlet:

V f=V g + V k + V gk.

Megfelelő módszereket dolgoztak ki, amelyekkel a fenotípusos variancia bármelyik komponense elemezhető. Így a genetikai és a környezeti variancia is további részekre bontható, mélyebb bepillantást adva a variabilitásért felelős tényezők hatásába. A következő táblázatban bemutatjuk az emberi újszülöttek tömegét befolyásoló tényezők varianciaanalízisének eredményét Stansfield (1969) munkája nyomán:

Varianciakomponens

A teljes fenotípusos variancia

%

Az újszülött genotípusa

16

Az újszülött neme

2

Az anya genotípusa

20

Az anya egészségi állapota

24

Az anya életkora

1

Hányadik szülés

7

Ismeretlen tényezők

30

Összesen:

100

A különböző varianciakomponensek révén hasznos információkhoz juthatunk egy vizsgálat során. Így például fontos tudnunk, hogy az általunk vizsgált tulajdonságban megmutatkozó variabilitás hány százaléka vezethető vissza genetikai különbségekre. Ezt mutatja meg az örökölhetőségi koefficiens, amelyet univerzálisan h2-tel jelölnek, és értéke egyenlő a genotípusos és a teljes fenotípusos variancia hányadosával:

h 2 = V g V f .

Egy-egy tulajdonság örökölhetősége 0-tól 1-ig terjedhet. Nyilvánvaló, hogy ha nagyon alacsony az örökölhetőség, akkor az általunk mért tulajdonság az adott mintában csak laza kapcsolatban van a génekkel, és az egyedek közötti variabilitás inkább a környezeti különbségekre, mérési hibákra vezethető vissza. Nagy h2 esetén viszont az általunk mért egyedi különbségek nagyrészt genetikai különbségekre vezethetők vissza. Az örökölhetőség mértékének az ismerete tehát rendkívül hasznos lehet.

Egygénes öröklődésmenetek kimutatása keresztezésekkel variábilis magatartás-genetikai fenotípusok esetében

Mint a korábbi morfológiai példákon láttuk, különböző genotípusú egyedek keresztezésével az F1 és az F2, valamint a szülőkkel való visszakeresztezéssel kapott B1 és B2 populációk (ezeket együttesen mendeli populációknak nevezik) előállításával meg lehet vizsgálni, hogy vajon egy egyszerűbb, 1-2 génre vonatkozó genetikai hipotézis megállja-e a helyét. A hipotézis bizonyítéka a szóban forgó jelleg fenotípusos kategóriáinak a mendeli populációkban való megoszlásán alapszik. Ha tehát egyetlen génre vezethető vissza a szülői fenotípusokban észlelt különbség, vagyis a két szülő az adott gén különböző allélváltozatait tartalmazza, akkor bizonyos jóslásokat tehetünk az egyes genotípusok előfordulási arányaira. Két vagy több gén esetében már csak akkor lehet ezekre az egyszerű modellekre támaszkodni, ha a mendeli populációkból nagy létszámú csoportokat tudunk létrehozni, mert különben a fenotípusosztályok lehetséges arányait nem tudjuk egymástól megkülönböztetni. A mendeli szabályokat akkor lehet minden probléma nélkül alkalmazni, ha a fenotípus egyértelmű, és a különböző változatok jól megkülönböztethetők. Sajnos a magatartási fenotípusoknál ezt a legritkább esetekben mondhatjuk el, mert igen nagy a környezeti okokra visszavezethető variancia. Bonyolítja a mendeli populációk értékelését az is, hogy rovarokat és halakat kivéve állatkísérletekben ritkán lehet nagy létszámú populációkhoz jutni. Mindezen nehézségek ellenére a varianciaanalízis segítségével sok esetben mégis alkalmazhatók a mendeli populációkra alapozott genetikai modellek.

Az 53. ábrán bemutatjuk egy magatartás-genetikai kísérlet eredményét, amelyet Kabai Péterrel végeztünk paradicsomhalak keresztezésével (Kabai and Csányi, 1978).

53. ábra - Dermedési reakció intenzitásának öröklődése - Az ábrán a paradicsomhalak két alfajának (Macropodus opercularis opercularis és Macropodus opercularis concolor), valamint a belőlük kialakított mendeli populációk dermedési reakcióidejének eloszlása látható. A két szülői vonal közötti különbség világosan látható, és az is, hogy az F1 populáció eléggé egységes és a rövid dermedési reakció fenotípusa domináns. A visszakeresztezett populációkban ránézésre nem lehet eldönteni, hogy a szegregáció 1:1, 2:1 vagy 3:1. Megfelelő varianciaanalízissel viszont a környezeti és a genetikai varianciakomponensek szétválaszthatók. Ha elvégezzük a megfelelő számításokat kiderül, hogy az adatok jól illeszkednek egy egygénes domináns recesszív modellhez. Tehát a két alfaj között mért magatartásbeli különbség egyetlen szabályosan „mendelező” génre vezethető vissza (Kabai és Csányi, 1978 alapján)

kepek/053.jpg


A paradicsomhal két alfaját, a közönséges (Macropodus opercularis opercularis) és a fekete paradicsomhalat (Macropodus opercularis concolor) kereszteztük. Elkészítettük a mendeli populációkat, majd megmértük a paradicsomhalak egy jellegzetes menekülési magatartásegységét, a dermedési reakciót. Ez a viselkedésforma halaknál és más kis termetű állatoknál nagyon fontos védekezési reakció. Ha az állatot kellemetlen inger éri, néhány másodpercig teljesen mozdulatlanná válik. Sok ragadozó, például a csuka is, csak a mozgó prédát támadja meg, a mozdulatlant „nem látja". Így ha a potenciális zsákmány idejében mozdulatlanná válik, „megdermed", akkor jó esélye van arra, hogy elkerülje a ragadozó támadását. Laboratóriumi körülmények között úgy idéztük elő a dermedési reakciót, hogy az állatokat egyenként, néhány percre egy vízzel teli üveg mérőhengerbe tettük. Az üveg akadályozza az állatokat a szabad úszásban, és ez kiváltja a dermedési reakciót. Az egyes mendeli populációk esetében mért értékek eloszlásai láthatók az 53. ábrán.

Első ránézésre nemigen vehető ki valamiféle „mendeli” szegregációs arány. Az egyes értékek variabilitása olyan nagy, hogy az esetleges létező csoportok nem ismerhetők fel. Az jól látszik, hogy a fekete paradicsomhalak általában jóval hosszabb dermedési reakciót mutatnak, mint a közönséges paradicsomhalak, és az is látható, hogy az F, populáció eléggé egységes, és a rövid dermedési reakció fenotípusa domináns. Azt azonban, hogy a visszakeresztezett populációkban a szegregáció 1:1,2:1 vagy 3:1, ránézésre aligha lehetne eldönteni. Megfelelő varianciaanalízissel viszont a környezeti és a genetikai varianciakomponensek szétválaszthatok. Ha elvégezzük a megfelelő számításokat kiderül, hogy az öröklődési koefficiens meglehetősen alacsony, kb. 32%, de az adatok jól illeszkednek egy egygénes domináns recesszív modellhez. Tehát a két alfaj között mért magatartásbeli különbség egyetlen szabályosan „mendelező” génre vezethető vissza.

Fuller (1974) az egerek szacharinpreferenciáját vizsgálta. Választása nem véletlenül esett erre az édes ízű, de a természetben elő nem forduló anyagra. A legtöbb állatnak különböző veleszületett preferenciája van az egyes természetes tápanyagok iránt, így nemcsak az étel íze, hanem egyéb tulajdonságai, színe, formája, szaga is befolyásolja a fogyasztást. Ilyen esetben nehéz a különböző tényezőket a kísérlet során egyidejűleg szabályozni, célszerűbb, ha lehetséges, az egyes tényezőket „leválasztani” és külön tanulmányozni. A szacharin íze az édes íz „eszenciája". Ha különböző genotípusú egereknek vizet és 0,1%-os szacharinoldatot adnak inni szabad választási lehetőséggel, lesznek olyanok, amelyek nem tesznek különbséget a két oldat között és egyforma mennyiséget fogyasztanak mindkettőből, és lesznek olyanok, amelyek jól kifejezett szacharinpreferenciát mutatnak, és az édes ízű oldatból jóval többet fogyasztanak. Itt tehát a magatartás – a szacharin édes ízének preferenciája – az édes ízű víz nagyobb mértékű fogyasztásában nyilvánul meg. Ha az állatok egyik nap csak vizet, másnap csak szacharinoldatot kapnak inni (a szilárd táplálék mindkét napon azonos), akkor kimutatható, hogy azok az egerek, amelyek ha a víz és a szacharinoldat között választhatnak, a szacharinoldatot részesítik előnyben, a „szacharinos napokon” több folyadékot vesznek magukhoz. Ebben az esetben a preferencia a folyadéktöbblet felvételében nyilvánul meg.

Az előkísérletek során kiderült, hogy a szabad választásos módszer eléggé torzítja az eredményeket, a környezeti tényezők nagymértékű befolyása miatt. Az állatok hangulata, pozíciópreferenciák (például nem a tartalom, hanem az ivóedények elhelyezése alapján választanak, mindig a bal vagy a jobb oldalit) befolyásolják a szacharinoldat fogyasztását, ezért a második módszerrel folytatták a kísérleteket: az egyik napon tiszta vizet, a másik napon szacharinos oldatot adtak az állatoknak. A folyadékfelvétel több napon át tartó mérésével megállapították az egyes törzsekre, genotípusokra jellemző átlagot. Kiválasztottak két egértörzset: a C57BL/6J törzs tagjai kifejezett szacharinpreferenciát mutattak, a DBA/2J egyedei viszont nem részesítették előnyben az édes ízt. A kiválasztott törzseket keresztezték, előállították az F1 és az F2 generációt, és visszakeresztezéseket is végeztek mindkét szülői törzzsel. Az így előállított genotípusok nagyobb létszámú csoportjainak több napon keresztül mérték a szacharinoldat-fogyasztását. Az eredmények azt mutatták, hogy elég nagy egyedi ingadozások észlelhetők, nagy a fenotípusos variancia, de általában akkor lehet egy állatot „szacharinkedvelőnek” minősíteni, ha a „szacharinos napokon” legalább 1 ml szacharinoldattal többet ivott, mint amennyi a tiszta vizes napokon az átlagos vízfogyasztása volt. A következő táblázatban Fuller adatai nyomán bemutatjuk az egyes mendeli populációkban talált szacharinkedvelő és közömbös állatok előfordulási gyakoriságait, valamint azokat a gyakoriságokat, amelyeket az egylokuszos genetikai modell alapján várni lehetne:

Csoport

Megfigyelt

gyakoriság

Várható

gyakoriság

szach.

kedv.

közömbös

szach.

kedv.

közömbös

C57BL/6J

32

1

_

_

DBA/2J

5

25

F,

25

3

-

-

Fi X C57BL/6J

14

1

14,0

1,0

Fi X DBA/2J

37

25

34.0

28,0

f2

50

12

45,0

16,1

A táblázat adataiból jól látható az egyezés az egylokuszos modell alapján várt és a valóságban mért arányok között. A megfelelő statisztikai megerősítés is megtörtént. Ezek alapján feltételezik, hogy a szacharinoldat nagymértékű fogyasztása egy domináns alléi jelenlétére vezethető vissza, és ez az alléi a C57BL/6J törzsből származik. A DBA/2J szülő a lokusz recesszív allélját tartalmazza. (A szülői törzsek mindig homozigóták, mert hosszú beltenyésztés eredményeként alakultak ki. Ha nem így lenne, a kísérlet adatai teljesen értékelhetetlenek lennének.) Ennek alapján a B1 populációnak (az F1 x C57BL/6J keresztezés) is nagy gyakorisággal kell szacharinkedvelő egereket tartalmaznia. Ez az eredményekből világosan látható.

Az értékelést nehezíti, hogy a preferencia penetranciája nem 100%, a homozigóta C57BL/6J törzsben is lehet közömbös egyedeket találni, és a közömbös törzsben is előfordulnak szacharinkedvelők. Az egyes csoportokban több helyen van eltérés a várható eredménytől, de ezek a megengedett statisztikai ingadozások határain belül vannak. A szacharinpreferencia génjét „Sac”-nak nevezték el, a C57BL/6J törzsben levő domináns alléi a Sacb, a DBA/2J-ben levő recesszív alléi a Sacd, amely nem hoz létre preferenciát. Számos egyéb kísérletet is végeztek még, például megmérték, hogy a szacharin ízének érzékenységi tartománya az egerek ízlelése során mindkét törzsben azonos, tehát a C57BL/6J törzs nem azért fogyaszt többet a szacharinoldatból, mert érzékenyebb a szacharin ízére.

Mendeli populációk elemzéséből még a kutyaugatás genetikai hátterére is lehet következtetni. Scott és Fuller (1965) amerikai magatartás-genetikusok a kiskutyák ugatási készségét elemezték genetikai szempontból egy nagyon hallgatag afrikai kutyafajta, a basenji és az Európában közkedvelt, ugatós spániel keresztezésével. Az 54. ábrán mutatjuk be a mendeli populációkkal kapott adatokat (kiskutyák ugatásának száma 11 hetes korukban). A varianciaanalízis után itt is egygénes modell illeszkedett a legjobban az eredményekhez.

54. ábra - Kutyaugatás genetikai hátterének vizsgálata mendeli populációk elemzésével - Az ábrán a nagyon hallgatag afrikai kutyafajta, a basenji és az Európában közkedvelt, ugatós spániel, valamint a belőlük kialakított mendeli populációk ugatásának gyakoriságeloszlása látható, 11 hetes korban. A populációk egy napra eső ugatási gyakoriságeloszlását elemezve, a varianciaanalízis után itt is egygénes modell illeszkedett a legjobban az eredményekhez (Scott és Fuller, 1965 nyomán)

kepek/054.jpg


Végül bemutatjuk a már említett egérkíváncsiság genetikai analízisét Abeelen (1975) holland magatartás-genetikus munkája nyomán. Valamivel részletesebben számolunk be erről a vizsgálatról, hogy kitűnjön, milyen hosszú és gondosan előkészített úton lehet csak eljutni az aránylag egyszerű végeredményhez.

A magatartás-vizsgálat a következőképpen folyt. Kb. 13 hetes korban az egereket (ebben a vizsgálatban csak hímeket) egyenként, 15 percre egy nagyjából 0,5 m2 területű, az egerek által még sohasem látott környezetbe helyezték, és számolták, hogy a vizsgált időtartam alatt hányszor ágaskodtak fel.

A genetikai előkészületek a következők voltak. Kiindultak egy hibrid populációból, méghozzá a szacharinpreferencia leírásakor már megismert C57BL/6J és a DBA/2J törzsek F1 populációjából. A kiindulási populációt szelektálni kezdték „kíváncsi", vagyis sokat ágaskodó és „közömbös", vagyis az új környezetben nem ágaskodó magatartás alapján.

Valószínűleg már a kiindulási törzsek között is volt némi különbség a kíváncsiságban, de ez nem volt elég nagy ahhoz, hogy érdemleges következtetést lehessen belőle levonni. A két törzs génkészletének egyesítésével sokféle gén kerül össze, és így a szegregálódó F2 generációban jelentős lesz a genetikai variancia, tehát szelekcióval hamar szét lehet választani a kíváncsiságért, illetve a közömbösségért felelős géneket. Önmagukban a szülői törzsek egyike sem alkalmas a szelekcióra, hiszen homozigóta törzsek lévén, genetikai variabilitásuk nincsen. Abeelen nem elégedett meg azzal, hogy a két szelektált törzsben feldúsította a kívánatos allélokat, hanem egy „genetikai trükkel” arról is gondoskodott, hogy szelektált törzsei csak és kizárólag a kíváncsiságért felelős génekben különbözzenek. Ezt úgy érte el, hogy a szelekció során minden szelektált generáció egyedeit visszakeresztezte a DBA/2J szülőkkel, s a visszakeresztezett generációkból válogatta ki a legkíváncsibb és a legközömbösebb egyedeket (55. ábra).

55. ábra - A kíváncsiság és a közömbös viselkedés genetikai tényezőinek szétválasztása szelekció és keresztezések segítségével (Abeelen, 1975 nyomán)

kepek/055.jpg


Erre azért volt szükség, mert így lehetett elkerülni, hogy a kíváncsisággal funkcionális kapcsolatban nem levő lokuszok a funkcionális géneket különböző kölcsönhatásokkal (például episztázis) befolyásolják. (Ha ezt a visszakeresztezést nem csinálja meg, akkor a kíváncsi és a közömbös törzs külön- külön vonalban szelektálódik, és a beltenyésztés következtében teljesen véletlenszerűen még sok egyéb génben is különbözik egymástól. Ezek a különböző lokuszok esetleg különbözőképpen befolyásolják a kíváncsisági allélokat is a két törzsben, és ennek olyan magatartásbeli különbség a következménye, amelynek semmi köze nincs a szóban forgó vizsgálathoz.) A visszakeresztezések útján Abeelen elérte, hogy mindkét szelektált törzs genetikai háttere azonos legyen. Mindkét vonal DBA/2J géneket tartalmaz plusz a C57BL/6J törzs azon alléljait, amelyek a kíváncsiságot fokozzák (a + szelektált vonalban), illetve csökkentik (a – szelektált vonalban) a közömbösök csoportjában. Az öt generációnyi szelekció után már jelentős különbség mutatkozott a két vonal között, további szelekciós előrehaladást már nem lehetett remélni, ezért a szelekciót befejezték, és további 20 generáción keresztül testvér-testvér párosításban beltenyésztették az állatokat. Erre a rendkívül munka- és időigényes lépésre azért volt szükség, hogy egészen bizonyosan minden majdan megvizsgálandó egyed homozigóta legyen. Ha erre nem fordítanának gondot, akkor az esetleg heterozigóta lokuszok szegregációja teljesen értékelhetetlenné tehetné az eredményt. Ezzel az előkészítés genetikai oldala befejeződött, rendelkezésre állt két kíváncsiságban jelentősen különböző, de genetikailag igen nagy mértékben rokon homozigóta törzs. Kezdődhetett a tulajdonképpeni munka, a genetikai analízis!

Elkészítették a két törzs hibridjét, az F1-et és ebből az F2 generációt, valamint a visszakeresztezéseket, a B1 és B2populációkat. Szükség volt még egy lényeges intézkedésre: más vizsgálatokból már jól ismert, hogy sok állatnál, így az egérnél is a születés utáni környezet, főként az anya magatartása jelentősen befolyásolja az egyed kifejlődő viselkedését. Ha tehát a kíváncsi egereket kíváncsi szüleik, a közömböseket pedig közömbös szüleik nevelnék fel, akkor magatartásukban jelentős környezeti hatás jelentkezne. Különösen lényeges ez a hibrideknél és a szegregáló generációknál. Az F2-ben várható szegregáció kíváncsi és közömbös egeret egyaránt adhat, nem mindegy, hogy ezeket az állatokat milyen genotípusú anya neveli fel. Az egyöntetűség kedvéért valamennyi, a kísérletben részt vevő állatot megszületése után azonnal elvették anyjától, és egy véletlen tenyésztésű populációból származó anyával neveltették fel.

A szükséges előkészületekhez képest maga az analízis tulajdonképpen gyerekjáték. Minden kísérleti csoportból megmérték 20-30 egyed kíváncsiságát, a kapott adatokat a következő táblázat mutatja:

Csoport

Ágaskodások

átlaga

Variancia

(V f)

P1 (kíváncsi)

44,25

489,88

P2 (közömbös)

14,15

42,56

F,

32,80

145,48

f2

27,47

207,70

B1

38,77

201,49

b2

24,87

181,12

Az adatokból a következőket lehet megállapítani: a két szülő és az F, populáció átlagértékei jelentősen különböznek egymástól, a különbségek statisztikailag is értékelhetők. Az adatok varianciaanalízisre azonban ebben a formában nem alkalmasak, mert a három genetikailag homogén populáció (P1, P2, F1) varianciája nem azonos. Minthogy ez az érték mutatná a varianciából a környezeti komponenst, csak azonos értékek alapján lehetne továbbszámolni. Ilyen esetben skálatranszformációt szokás alkalmazni.

A megfelelően választott skála alkalmas arra, hogy a genetikailag homogén populációk varianciáit egymáshoz közel hozza. Ebben az esetben a természetes logaritmus alapú transzformáció hozott jó eredményt. Minden adatnak a természetes logaritmusát véve és újra kiszámolva az átlagokat, valamint a varianciákat, kapták a következő táblázatot:

Csoport

In (ágaskodási gyak.)

Variancia

P1

3,70

0,18

P2

2,56

0,19

F,

3,43

0,12

f2

3,17

0,34

B1

3,59

0,15

b2

3,07

0,31

Jól megfigyelhető a transzformáció hatása: a homogén populációk varianciái nagyjából megegyeznek, az F2 generációnak a legnagyobb a varianciája, közel azonos a B2-ével, és a B1 varianciája hasonló a genetikailag homogénekéhez.

Az adatokból kiszámítható az örökölhetőségi koefficiens, ami 0,66, vagyis a mért magatartás megjelenéséért 66%-ban felelősek a genetikai faktorok. Elég magas érték, mutatja a módszerek használhatóságát.

A sok számadatból világosan következik az egyszerű végeredmény. A két törzs magatartásbeli különbsége egyetlen lokusz hatására vezethető vissza, amelynek az „Exa” jelet adták (az exploráció után), és amelynek két allélja található meg a szelektált törzsekben. Az allélok jelentős additív hatást mutatnak, vagyis a kodominancia viszonyában állnak egymással.

A genetikai analízis első szakasza ezzel, ebben az esetben, be is fejeződött, a következő lépés a felfedezett új magatartásgén hatásmechanizmusának a tisztázása lesz. A kísérletekről szóló beszámolók ugyan nem említik, hogy mennyi idő alatt végezték el a munkát, de a legjobb szervezés mellett is legalább 5-6 évet kell számolni. Az új gén hatásmechanizmusának felderítése valószínűleg még tovább tart majd.

Poligénes rendszerek

Ha genetikailag teljesen homogén törzsek magatartási fenotípusait vizsgáljuk, a már ismertetett példák alapján nyilvánvaló, hogy mindig nagyfokú variabilitással kell számolnunk, amit a környezeti tényezők, a magatartásmérések pontatlansága hoz létre. Ha nem homogén törzsekkel dolgozunk, még egy jelentős variabilitást okozó tényező lép fel, mégpedig a genetikai variabilitás. Ugyanazon környezetben, ugyanolyan kísérleti feltételek a különböző genotípusokból eltérő reakciókat válthatnak ki. Ez természetesen nem azt jelenti, hogy feltétlenül az egyes magatartásformákat szabályozó specifikus genetikai mechanizmusokban van a különbség, bár ez sincs kizárva, hanem azt, hogy a genomban lévő gének bármelyike, esetleg bonyolult áttételeken keresztül, befolyásolhatja az általunk vizsgált fenotípust. Természetesen – talán ez a leggyakoribb eset – az adott magatartási fenotípust nem egy lokusz, hanem több, esetleg akár néhány száz befolyásolja. A kvantitatív genetika – legfőképpen a varianciaanalízis segítségével – az ilyen típusú rendszerekről is elég sok ismeretet tud szerezni. A következőkben erről lesz röviden szó.

Először is azt szeretnénk bemutatni, hogy a magatartás mérése szempontjából milyen nagy különbség van egy genetikailag heterogén, vad típusú populáció és egy genetikailag homogén törzs között. Egy korábbi vizsgálatunkban terveztünk egy pszichológiai jellegű „kilépési tesztet” halak számára. Egy nagy, lapos akvárium közepére egy kis elkerített részt készítettünk, amelynek falán egy alkalmas nyílás volt. A halakat egyenként helyeztük az elkerített részbe, és mértük azt az időt, ami az elkerített rekeszből való kilépésig eltelt. A mérésekhez vad ezüstkárászok laboratóriumban nevelt utódait használtuk. Egy vadon fogott szülőpár utódai többé-kevésbé még megfelelnek a „vad típusnak", legalábbis ami a magatartásukat illeti. Kétféle populációt használtunk. Az egyik az Ázsiában honos közönséges ezüstkárász (Carassius auratus auratus) volt, a másik pedig az ezüstkárásznak egy különleges változata. Ez utóbbi sejtjei három kromoszómasorozatot hordoznak, triploidok és kizárólag nőstény egyedekből áll a populáció, amelyek természetes körülmények között gynogenezissel szaporodnak (Carassius auratus gibelio). Íváskor a triploid nőstények csatlakoznak a közönséges diploid kárászokhoz, vagy ha ezek nincsenek, a távolabbi rokon pontyokhoz. A közös ívás során a triploid nőstények petesejtjei is megtermékenyülnek, ezekben azonban a behatoló hímivarsejt csupán elindítja a fejlődést, az örökítőanyaga nem kerül be a kialakuló embrióba. A zigótából kifejlődő új egyed kizárólag az anyai genomot tartalmazza, maga is triploid nőstény lesz. Emiatt az anya összes utódai genetikailag teljesen azonos felépítésűek, annyira egyformák, mint az egypetéjű ikrek. Az egy anyától nyert ivadékainak mint populációnak tehát igen nagy az izogenitása (I = 1), az egyes egyedek genetikai homogenitása viszont minimális (F = 0). Egy ilyen populáció, amely laboratóriumban sok generáción keresztül fenntartható anélkül, hogy genetikai paraméterei változnának, ideális „vad típust” képvisel. Természetesen nemcsak az egyes egyedek genetikai felépítése azonos, hanem minden olyan tulajdonságuk is, amelyet a környezet nem vagy csak kevéssé befolyásol. Kísérletünkben éppen ezt akartuk demonstrálni egy magatartási fenotípus esetén.

A kilépési látencia mérése pontosan igazolta várakozásunkat. A diploid vad populáció egyedeinél a kilépési idő széles határok között változott, igen nagy volt a variancia, az egyetlen nősténytől származó triploid utódpopuláció egyedeiben viszont a kilépési idő igen szűk határok között mozgott, a variancia egészen minimális volt (56. ábra).

56. ábra - Kárászok kilépési reakciója - Az új környezetbe helyezett kárászok indítási rekeszből való kilépése mint fenotípusérték illusztrálja, hogy a magatartás mérése szempontjából milyen nagy különbség van egy genetikailag heterogén, vad típusú populáció és egy genetikailag homogén törzs között. A diploid kárászok (Carassius auratus auratus) szaporodása a megszokott módon zajlik, az utódok a spermium és a petesejt genetikai anyagának egyesülésével jönnek létre. A triploid kárászok (Carassius auratus gibelio) szűznemzéssel szaporodnak, az utódok tehát csak az anyai genomot hordozzák, egymással genetikailag teljesen azonosak. A diploid vad populáció egyedeinél a kilépési idő széles határok között változik, igen nagy a variancia, az egyetlen nősténytől származó triploid utódpopuláció egyedeinél viszont a kilépési idő igen szűk határok között mozog, a variancia egészen minimális. A diploid kárászok összes fenotípusos varianciája a szokásos két fő komponensből tevődik össze, a környezeti és a genetikai varianciából, a triploid kárászok viszont, minthogy a populáció izogén, csupán környezeti varianciát mutatnak

kepek/056.jpg


A diploid kárászok összes fenotípusos varianciája a szokásos két fő komponensből tevődik össze, a környezeti és a genetikai varianciából, a triploid kárászok viszont, minthogy a populáció izogén, csupán környezeti varianciát mutatnak. A mért genetikai variancia kb. ötszöröse volt a környezeti varianciának. Ez a kísérlet kitűnőén mutatja a homogén genetikai anyag használatának bizonyos előnyeit, de sajnos a triploid kárászokat igen bonyolult egymással keresztezni, így a szokványos genetikai analízis nem könnyen végezhető el.

Célszerű egy másik jól kidolgozott, történetesen növényen végzett kísérlet segítségével bemutatni mindazokat a problémákat, amelyek a sokszoros génhatás, a poligénes rendszer következményei.

A búzaszem színének öröklődését vizsgálva a következőket állapították meg: sötétvörös és fehér szemű búza keresztezésekor az F1 hibrid szemei „középvörös” színt mutatnak. Az F2 nemzedékben a fehértől kezdve a világosvörösön keresztül a sötétvörösig mindenféle színárnyalat megtalálható. Az egyes árnyalatok szinte folyamatosan mennek át egymásba. A jelenség magyarázatára 1910-ben Nilsson-Ehle svéd genetikus készített megfelelő modellt.

Feltételezte, hogy a szín öröklődése két génpár (R1/r1, R2/r2) tevékenységére vezethető vissza. (A nagybetűvel jelölt gének dominánsak.) A két domináns gén kb. egyforma mértékben járul hozzá a színkialakításához a következőképpen:

P1

R1/R1, R2/R2 X r1/r1, r2/r2 sötétvörös fehér

P2

F1

R1/r1, R2/r2

középvörös

 

genotípus

F2

arány

fenotípus

R1/R1, R2/R2

1

sötétvörös

R1/R1, R2/r2,

R1/r1, R2/R2

4

vörös

R1/R1, r1/r1,

R1/r1, R2/r2,

r1/r1, R2/R2

6

középvörös

R1/R1, r2/r2,

r1/r1, R2/r2,

4

világosvörös

r1/r1, r2/r2

1

fehér

Minthogy a fenotípus csaknem folyamatosan változik, szemléletesebb grafikusan ábrázolni az eredményeket (57. ábra).

57. ábra - A búzaszem színének öröklődése

kepek/057.jpg


A következő jellegzetességeket figyelhetjük meg:

1. Az F1 generáció fenotípusos értéke a két szülői fenotípus közé esik.

2. Az F2 generáció fenotípusos értékének az átlaga megegyezik az F1 generációéval, bár az F2 sokkal többféle fenotípust és több genotípust tartalmaz, mint az F1.

3. Ha a fenotípus értékelésére egy skálát szerkesztünk, akkor megfigyelhetjük, hogy az F1 generáció tagjainak fenotípusai lényegében folyamatosan mennek át egymásba, a fenotípus kvantitatívan mérhető a választott skála egységeiben. Egy-egy

genotípusnak egy-egy pont (vagy inkább tartomány) felel meg a fenotípus görbéjén, és mivel a fenotípusok száma általában kevesebb, mint a genotípusoké, több genotípus is tartozhat egy ponthoz, illetve tartományhoz.

Vannak olyan búzatörzsek is, amelyekben a fehér és a vörös színűek keresztezéséből kapott F, hibrid fenotípusa ugyanígy a két szülői törzs közé esik, de az F2-ben sokkal kevesebb a szülői fenotípusok előfordulási aránya. Mindössze 1/64 fehér és 1/64 sötétvörös fenotípust lehet találni. Ez az eset háromlokuszos modellel írható le, az r1r1r2r2r3r3 genotípus fehér, az R1R1R2R2R3R3 pedig sötétvörös színt hoz létre. Ebben az esetben az F2 generációban természetesen sokkal több árnyalatot találunk, mint az előző kétlokuszos modellben. Ha feltételezzük is, hogy a környezet egyáltalán nem befolyásolja a színeket (ami bizonyosan nem jogosult feltevés, mert kis differenciák a nedvességtartalomban, az érettségben stb. bizonyosan okoznak színárnyalatbeli változásokat), képtelenek vagyunk az egyes genotípusokat a színárnyalatok alapján megkülönböztetni. Minél több lokusz működik közre egy ilyen jellegű fenotípus kialakításában, ez annál nyilvánvalóbb.

Durva becslést kaphatunk a fenotípus kialakításában közreműködő lokuszok számára, ha az F2 generációban meghatározzuk a tiszta szülői fenotípus arányát:

lokuszok száma:

1

2

3

 

n

a tiszta szülői fenotípus aránya az F2 generációban

1/4

1/16

1/64

 

(1/4)n

A búzaszem színének öröklődésmenete jó példája a nem folyamatosan változó, csak kvantitatívan értékelhető fenotípusoknak. Leszűrhető belőle az a következtetés, hogy olyan kvantitatívan mérhető tulajdonságok esetén, amelyekért 2-3 génlokusznál több gén felelős, vagyis a poligénes rendszerek esetében, az eddig bemutatott genetikai modellekkel nem sokat érünk. A fenotípus és a genotípus közötti egyszerű összefüggés elmosódik, nincs mód arra, hogy az individuális különbségeket egy-egy meghatározott genetikai tényezőre vezessük vissza. Ehelyett a poligénes tulajdonságok genetikája az adott genetikai rendszer egészéről, a részt vevő gének statisztikai populációjáról igyekszik képet adni. A gének sokfélesége és a már tárgyalt környezeti hatások okozta variabilitás együttes kezelésére alakult ki a kvantitatív genetika.

Az egylokuszos kvantitatív fenotípusoknál bemutatott varianciákat kezelő genetikai alapegyenlet, a

V f = V g + V k

itt is érvényes. A búzaszem színének genetikai modellje esetében már láttuk, hogy a poligénes rendszerben mindegyik alléi hozzájárul valamennyivel a fenotípus kialakításához. A valóságban az egyes gének hozzájárulása egészen eltérő lehet, és az egyes egyedi hozzájárulásokat nem is tudjuk meghatározni. Lehetőség van azonban arra, hogy az átlagos génhozzájárulást kiszámítsuk. Ehhez természetesen meg kell becsülnünk a közreműködő gének számát. Nyilvánvaló továbbá, hogy az egyes allélok egymás hatását is befolyásolhatják, egyesek recesszívek, mások dominánsak lesznek. Meg kell határoznunk tehát a dominancia hatását a fenotípusos értékre. Ez a három genetikai paraméter a legfontosabb, ezek kiszámításának rendkívül leegyszerűsített módját ismertetjük.

Ha genetikailag teljesen homogén szülői törzsekkel dolgozunk, akkor a szülői populációkban mért variancia nyilvánvalóan nem fog genetikai komponenseket tartalmazni, mert a szülői törzsek minden egyes egyede azonos genotípusú. Ugyanez a helyzet a szülői törzsekből származó F1 hibrid populációval is, hiszen ez is teljesen homogén, az izogenitása 1. Ha mind a három populációt azonos környezetben neveljük, akkor a három populáció fenotípusos varianciája megegyezik:

V f P 1 = V f P 2 = V f P 1 .

Az F2 populáció viszont genetikailag heterogén, teljes varianciája genetikai és környezeti komponensre bontható. Ha az F2 populáció egyedeit ugyanolyan környezetben neveljük, mint az előbbieket, akkor a környezet által létrehozott varianciakomponens megegyezik az előbbi három populáció teljes varianciájával. Így az F2 generáció genetikai varianciakomponense könnyen kiszámítható. A gyakorlatban ezt az F1 populáció adataiból számítják:

V f F 2 = V f F 1 = V f F 2 .

Az F2 generáció genetikai varianciája annál nagyobb, minél nagyobb a populáció genetikai variabilitása. Ez a következőképpen függ össze a tulajdonság létrehozásában közreműködő gének számával:

V g F 2 = σ Ν 2 2 ,

ahol σ – az egyes allélok hozzájárulása a fenotípusos értékhez, N – a közreműködő génpárok száma.

σ kifejezhető a következő képlettel:

σ = D 2 N ,

ahol D – a két populáció átlagos fenotípusos értékeinek különbsége.

Elvégezve a megfelelő behelyettesítéseket, kiszámíthatjuk N értékét:

N = D 2 8 ( V f F 2 V f F 1 ) .

Ez a képlet rendkívül leegyszerűsített, hiszen felírásakor feltételeztük, hogy az egyes allélok hatása additív, nincs dominancia, episztázis vagy kapcsolódás a gének között. Bonyolultabb levezetésekben természetesen ezeket a hatásokat is figyelembe veszik.

Vizsgáljuk meg a különböző géninterakciókat először hipotetikusan, egyetlen génlokusz esetében. Legyen a P1 szülő genotípusa erre a lokuszra A1/A1, fenotípusos értéke pedig egy tetszőleges skálán legyen A P2 szülőt jellemezze az A2/A2 génkompozíció, fenotípusos értéke legyen + a. Az F2 generáció A1/A2 genotípusú lesz, és fenotípusos értéke a két allél egymásra hatásától függ. Ha a két allél tisztán kodomináns hatású, egymás kifejeződését nem módosítják, akkor az F1 fenotípusos értéke megegyezik a szülői fenotípusos értékek középértékével, m-mel. Az egyik allél, például az A2, részleges dominanciája esetén az F1 fenotípusos értéke m és + a között helyezkedik el, teljes dominancia esetén pedig + a. Vannak esetek, amikor a heterozigócia a domináns homozigóciát is felülmúlja, ez az overdominancia. Az eddig elmondottakat az 58. ábra mutatja.

58. ábra - Génkölcsönhatások

kepek/058.jpg


Ha ezeket a génhatásokat egy koordináta-rendszerben ábrázoljuk, az 59. ábrát kapjuk, és ennek megtekintésével belátható, hogy a génhatások mindegyik esetben felbonthatók egy additív (a) és egy dominanciakomponensre (d).

59. ábra - Additív génhatás, teljes dominancia

kepek/059.jpg


Teljes dominancia esetében is kimutatható egy additív komponens. A dominanciakomponens egyenlő az F, populáció fenotípusos értékének a középértéktől való eltérésével.

Az előzőek alapján a és d felhasználásával leírhatjuk a szülői és az F1 populáció fenotípusos értékét:

P 1 = m-a,

P 2 = m + a,

F 1 = m + d.

Ha a szülői és az F1 populációk fenotípusos értékeit ismerjük, a génfrekvencia alapján könnyen meghatározhatjuk belőlük egyéb keresztezések fenotípusos értékeit. A génfrekvenciákat a következő táblázat mutatja:

Csoport

Keresztezés

Genotípus

Arány

P1

P1 x P1

A1/A1

1,0

P2

P2 X P2

A2/A2

1,0

F1

P1 X P2

A1/A2

1,0

B1

F1 X P1

A1/A1

0,5

  

A1/A2

0,5

b2

F1 X P2

A2/A2

0,5

  

A1/A1

0,5

f2

F1 X F1

A1/A1

0,25

  

A1/A2

0,5

  

A2/A2

0,25

A táblázat alapján a B1, B2 és F2 populációk fenotípusos értékei:

B 1 = P 1 + F 1 2 = m + a + d 2 ,

B 2 = P 2 + F 1 2 = m + + a + d 2 ,

F 2 = P 1 + P 2 4 = F 1 2 = m + d 2 .

A gyakorlatban fordítva járnak el. Megmérik az egyes populációk fenotípusos értékeit, és az adatokból igyekeznek visszakövetkeztetni a génfrekvenciákra és a dominanciaviszonyokra.

Hasonló meggondolások alapján az egyes populációk genetikai varianciája is kiszámítható az a és d értékek felhasználásával. Mivel a fenotípusos értékek átlaga és varianciája két egymástól független paraméter, így újabb egyenleteket nyerünk, amelyekből az additivitásra és a dominanciára vonatkozó genetikai paraméterek biztonságosan meghatározhatók.

Ezekhez a számításokhoz olyan skálát célszerű választani, amelynek zéruspontja pontosan megegyezik a szülői középértékkel, m-mel. Ebben az esetben a genetikai variancia értékei a következők lesznek (N lokusz esetén):

V g F 2 = 2 a 2 + d 2 4 N , V g B 1 = ( a + d ) 2 4 N , V g B 2 = ( a d ) 2 4 N .

Az egyenletekből a következő fontosabb információk nyerhetők:

1. Dominancia hiányában (d=0) a két visszakeresztezett populáció varianciája megegyezik, és fele az F2 varianciájának.

2. A recesszív szülővel végzett visszakeresztezéskor a B1 populáció varianciája annál nagyobb, minél nagyobb a d érték.

3. Az eddigiekben a genetikai varianciát egykomponensűnek feltételeztük. Az előző egyenletek felhasználásával el lehet választani a variancia additív és domináns, valamint az episztatikus génhatásokból eredő összetevőit:

V g = VgA + VgD + VgI

genetikai additív domináns episztatikus

varianciakomponensek

Az egyes varianciakomponensek külön-külön meghatározhatók, és érdekes információt nyújtanak a genetikai architektúráról.

Az iménti összefüggésekhez hasonlókat nemcsak a mendeli populációk felhasználásával lehet kimutatni. Gyakran használt módszer az ún. diallél keresztezés, amelynek során több beltenyésztett törzset valamennyi lehetséges kombinációban kereszteznek (Gerlai és mtsai, 1990). A szülői törzsek és a megfelelő F1 generációk csoportjainak varianciaanalízésével azután a genetikai architektúra paraméterei kiszámíthatók. Fulker (1966) hat ecetmuslica törzsből készített diallél csoportokat a párosodási sebességet befolyásoló genetikai tényezők tanulmányozására. A következő táblázat mutatja az egyes keresztezésekkel kapott csoportátlagokat (természetes logaritmus felhasználásával transzformálva):

Törzsek

6CL

ED

OR

W

S

F

6CL

1,4

3,6

2,2

3,2

2,6

3,0

ED

4,0

3,0

3,7

3,4

3,2

3,2

OR

2,3

3,4

1,8

3,4

2,4

2,8

W

3,2

4,4

3,8

3,0

2,4

3,6

S

2,4

3,6

2,0

2,4

1,2

2,4

F

3,3

4,0

3,2

4,6

2,0

2,8

A számítások alapján a genetikai variancia additív komponensét 0,69-nak, a dominanciakomponenst 1,31-nak, a környezeti varianciakomponenst 0,26-nak találták, az örökölhetőségi koefficiens 0,36 volt, és a genetikai háttér sok gén hatására utal. A táblázatból az is kiderül, hogy a gyorsabb párosodás a domináns tulajdonság, ami evolúciós szempontból érthető jelenség, a gyorsabban párosodó hímek valószínűleg némi szelekciós előnyhöz jutnak.

Jobban használhatók azok a vizsgálatok, ahol a varianciaanalízis kiegészíthető egyéb biológiai technikákkal. Bentley (1971) tücsök fajhibrid hímek párcsalogató ciripelését vizsgálta. Egy ausztráliai és egy polinéziai fajt, a Teleogryllus commodust és a Teleogryllus oceanicust választotta. A vad típusok, az F1 generáció és a visszakeresztezett populációk hívóhangjainak mérésével (a tücsökmuzsika tizennyolc paraméterét elemezte) megállapította, hogy a ciripelés akusztikai jellemzőit kizárólag genetikai tényezők befolyásolják. Az élő és az élettelen környezet semmiféle hatással nincs rájuk, de a különböző genotípusú egyedek mindig különböző hangokat adnak. Ez a tény rendkívül pontos genetikai elemzést tesz lehetővé. A különböző fajok és hibridjeik hangképét a 60. ábra mutatja.

60. ábra - Különböző tücsökfajok és hibridjeik hangképe (Bentley, 1971 nyomán)

kepek/060.jpg


A hang mintázata ismétlődő trillákból és ciripelő hangokból áll. Az F1 generáció hangjainak paraméterei mindig a két szülő között helyezkednek el, vagyis nem találtak egyszerű dominanciaviszonyokat. A visszakeresztezett generációk hangjaiból következtetni lehet a hangadást szabályozó gének számára is. Ha valamelyik akusztikai paramétert egyetlen gén szabályozná, akkor a visszakeresztezett generációk valamelyikében kétféle egyedet kellene találni. Minél több gén működik közre, annál egyenletesebb az átmenet az egyik szülő fenotípusától a másik szülő fenotípusához.

Három tulajdonságot elemeztek a kvantitatív genetikában használatos módszerekkel: a trillákban lévő hangimpulzusok számát, a trillák gyakoriságát és a trillák közötti intervallumok időtartamát.

Az elemzések eredménye szerint a vizsgált tulajdonságokat poligénes rendszer szabályozza. Sikerült megállapítani, hogy a hangadást szabályozó gének egy része a tücsök X-kromoszómájában található. Erre aránylag egyszerűen lehetett következtetni. A nőstény tücsök mindig XX, a hím viszont X0 genotípusú, vagyis csak egy X- kromoszómája van, és ezen a kromószómán lévő összes génjei megnyilvánulnak. Ha tehát reciprok keresztezést végeznek, elő lehet állítani olyan genotípusú hímeket, amelyek csak az X-kromoszómában különböznek, vagyis a közöttük levő összes genetikai különbségért felelős gén az X-kromoszómában lokalizálódik. Megvizsgálva ezeket a keresztezéseket, Bentley azt találta, hogy a trillák közötti időtartam hosszúságát szabályozó gének találhatók az X-kromoszómán. A többi akusztikai paraméter génje az autoszómákon helyezkedik el.

A tücsök hangadó szerve a szárnya. A hangadást szabályozó neuronhálózat a szárny izomzatának összehúzódását vezérli, és mindössze néhány neuronból áll. Bentley csoportja nemcsak a tücsök hangját figyelte, hanem pontosan mérte minden egyes, a hangadás szabályozásában szerepet játszó motoneuron és izom elektromos tevékenységét. Megállapították, hogy a hang mintázata pontosan követi a szabályozóneuronok elektromos aktivitását. Így például a trillák egy-egy hangimpulzusa egy meghatározott neuron akciós potenciáljának a változására jön létre. További lényeges felismerés, hogy a különböző genotípusú állatok különböző módon tüzelő neuronokat tartalmaznak. Vagyis a hangadó magatartást szabályozó gének tulajdonképpen a hangadást vezérlő neuronok tulajdonságait szabják meg. A T. oceanicus és az egyik visszakeresztezett generáció hímjei a trillákban csak egyetlenegy hangimpulzusban különböznek, a T. oceanicus két hangimpulzust ad, a visszakeresztezett generáció hímje pedig hármat. Ez a parányi különbség a megfelelő homológ neuronban is kimutatható. A T. oceanicus neuronja a trilla során két akciós potenciált generál, a visszakeresztezett hibrid neuronja pedig hármat.

Összefoglalva ezt a rendkívül izgalmas munkát: a tücsök genomjában kimutathatók olyan géncsoportok, amelyeknek funkciója egyetlen, a magatartásban is megnyilvánuló neuron tevékenységének szabályozása. Egy neuron-egy akciós potenciál-egy gén a magatartás-genetikai vizsgálómódszerek várható maximális feloldóképessége.

A fajok közötti hibridizáció vagy a különböző beltenyésztett törzsek keresztezése akkor ad megfelelő lehetőséget a magatartás-genetikusnak, ha a kiválasztott szülők viselkedésében eleve megtalálható az a különbség, amelynek a genetikai hátterét érdemes vizsgálni. Nagyon sokszor nem ez a helyzet, ezért elterjedten alkalmazzák a különböző szelekciós technikákat. Ezek lényege, hogy vesznek egy genetikailag variábilis kiindulási populációt, ami lehet vad típusú populáció, megfelelően kültenyésztett csoport vagy esetleg beltenyésztett törzsek hibridjeiből készített „szintetikus” populáció. A kiindulási populáció lehetőleg változatlan genetikai konstitúciójának fenntartása mellett kiválasztják a vizsgálni kívánt magatartásegységek vagy tesztparaméterek alapján az adott mértékül használt skála magas és alacsony teljesítményű egyedeit, szokás ezeket (+), illetve (-) vonalaknak is nevezni, és az egyes vonalak

egyedeit egymás között tenyésztik. A következő generációban megint szelekciót végeznek. A magas teljesítményű vonalból kiválogatják a legmagasabb teljesítményű egyedeket, az alacsony vonalból pedig a legalacsonyabb teljesítményűeket, és a két vonalat megint továbbtenyésztik. A módszer előnye, hogy a genetikai architektúrára sokszor már a szelekció előrehaladásának sebességéből is lehet következtetni, valamint hogy a szelekciós folyamat végén (5- 40 generáció) rendelkezésre áll majd két, éppen a vizsgálni kívánt tulajdonságban eltérő beltenyésztett törzs. Ezek keresztezésével a szokásos mendeli populációkat elő lehet állítani, és a megfelelő varianciaanalízist is el lehet végezni.

Hirsch és Boudreau (1958) azt vizsgálta, hogy az ecetmuslicák fototaxisa mennyiben genetikai szabályozású. Egy vad populációból indultak ki, és 29 generáción keresztül szelektálták a fénykedvelő és a sötétkedvelő muslicákat. A magatartás-vizsgálat meglehetősen egyszerű, a muslicákat elhelyezik egy Y alakú üvegcsőben, amelynek egyik ága sötét, a másik világos, majd megfigyelik, hogy a légy melyik ágat választja néhány percen belül. A próbát minden egyes rovarral tízszer megismétlik, így minden állatot jellemezni tudnak a fénykedvelés szempontjából, egy 1-10-ig terjedő skálán. A 61. ábra mutatja a nem szelektált kiindulási populáció, valamint a szelektált magas és alacsony vonalak fénykedvelését a 2. és a 29. szelektált generációban.

61. ábra - Ecetmuslicák fototaxisának öröklődése szelekció során (Hirsch és Boudreau, 1958 nyomán)

kepek/061.jpg


Jól látható, hogy az intenzív szelekció eredményeképpen a magas és az alacsony vonal teljesítménye a 29. generációban szinte teljesen különvált, kialakult egy világos- és egy sötétkedvelő ecetmuslica törzs. A szelekció előrehaladásának menetéből pedig ki lehetett számítani, hogy a fénykedvelő viselkedésnek van genetikai háttere, noha az örökölhetősége nem túlságosan nagy.

Különleges genetikai technikák a magatartás vizsgálatában

A hagyományosnak mondható genetikai technikák után néhány olyan, újabban kifejlesztett genetikai módszert mutatunk be, amelyek segítségével gyorsabban vagy pontosabban lehet a magatartási fenotípusok genetikai architektúrájáról adatokat szerezni.

Az amerikai D. W. Bailey (1971) által kifejlesztett rekombináns törzseket használó technika még lényegében a klasszikus módszereket alkalmazza, de igen szellemes kombinációban. Bailey, eredetileg egy immunogenetikai probléma megoldására, kiválasztott két egymástól sok fenotípusban különböző, tenyésztési történetük alapján egymással rokonságban nem lévő, genetikailag homogén egértörzset, a BALB/cBy és a C57BL/6By jelűt. Ezek adták a két kiindulási génkészletet. Elkészítette belőlük az F1, majd az F2 generációt. Ez utóbbiból szisztematikus testvérpárosítással 39 generáción keresztül beltenyésztést végzett, és így ismét homogén törzseket állított elő. Ezek a törzsek, szám szerint hét, a két szülői törzs génkészletének véletlen kombinációit hordozzák. Lényegében egy F2 generációnak tekinthetők azzal a különbséggel, hogy minden egyes egyedet egy egész törzs képvisel, és nincsenek közöttük heterozigóták. Innen ered a törzsek neve is: a szülői gének rekombinációit hordozzák. A 62. ábrán mutatjuk be a tenyésztési sémát.

62. ábra - 62. ábra Rekombináns egértörzsek előállítási sémája - A rekombináns technika gyakorlatilag a klasszikus mendeli populációk technikáját alkalmazza a genetikai vizsgálatok során. A kiindulási, beltenyésztett szülői egértörzsekből előállítják az F1, majd ebből az F2 generációt. Ez utóbbiból szisztematikus testvérpárosítással több generáción keresztül beltenyésztést végeznek, és így ismét homogén törzseket állítanak elő. Ezek a törzsek a két szülői törzs génkészletének véletlen kombinációit hordozzák. Lényegében egy F2 generációnak tekinthetők azzal a különbséggel, hogy minden egyes egyedet egy egész törzs képvisel, és nincsenek közöttük heterozigóták. Azáltal, hogy az egyes egyedek helyébe törzsek kerültek, nagymértékben megnövekszik a genetikai analízis felbontóképessége. Olyan fenotípusok is vizsgálhatók, amelyeknél a nagy környezeti variancia miatt a fenotípusos érték csak nagyszámú egyed átlagával mérhető megbízhatóan. A rekombináns módszer tehát éppen azon a problémán segít, ami miatt elakadt az egyszerű mendeli analízis (D. W. Bailey, nyomán)

kepek/062.jpg


Azáltal, hogy az egyes egyedek helyébe törzsek kerültek, nagymértékben megnövekszik a genetikai analízis felbontóképessége. Olyan fenotípusok is vizsgálhatók, amelyeknél a nagy környezeti variancia miatt a fenotípusos érték csak nagyszámú egyed átlagával mérhető megbízhatóan. A rekombináns módszer tehát éppen azon a problémán segít, ami miatt elakadt az egyszerű mendeli analízis.

Ha a rekombináns törzs populáció már készen van, a vizsgálat menete aránylag egyszerű. Az adott fenotípus értékeit megmérik a szülői törzseken, az F1 populáción és a rendelkezésre álló rekombináns törzseken. Ha a mérési eredmények statisztikailag megbízható különbségeket mutatnak, akkor az egyes fenotípus-kategóriák elő

fordulási arányainak elemzésével juthatunk el a genetikai paraméterek kiszámításához. A gondolatmenet a következő: tételezzük fel, hogy a kiindulási szülői törzsek az adott fenotípusra vonatkoztatva csupán egyetlen génben különböznek, s a két szülői törzs egy-egy allélváltozatot hordoz homozigóta formában. A szülői fenotípusban mutatkozó különbség tehát az allélok hatásának különbségeire vezethető vissza. Ebben az esetben, miután a két alléit az F1 hibridben összehoztuk, majd az F2-ből kiinduló sokgenerációs beltenyésztés során ismét szétválasztottuk, a kapott rekombináns törzsek vagy az egyik, vagy a másik allélváltozatot fogják homozigóta állapotban tartalmazni. Ezért az egyes alléloknak megfelelő szülői fenotípusok egyenlő valószínűséggel találhatók meg a rekombináns törzsek között. Ha ez a helyzet, akkor az egygénes modell az F1 és az F2 generációban végzett mérésekkel is megerősíthető és a bizonyítást igen megbízhatónak tekinthetjük. Ha a rekombináns törzsekben található fenotípus-kategóriák száma kettőnél több, de nem éri el az ötöt, két génre lehet visszavezetni a szülői fenotípusok különbségét. A lehetséges fenotípusok maximális száma, „P” a következő összefüggésből számítható:

P = 2L ,

ahol „L” a közreműködő lokuszok száma. A magatartás-genetikusok sokféle fenotípus vizsgálatára használták fel a Bailey-féle rekombináns törzseket. Magatartás-genetikai szempontból különösen a tanulással és az agresszióval kapcsolatos eredmények voltak érdekesek, ezekből az utóbbit mutatjuk be.

Eleftheriou és munkacsoportja (1974) az egerek agresszivitását vizsgálta ugyanazokkal a szülői és rekombináns törzsekkel, amelyeket az imént bemutattunk. Előkísérletekben megmérték az egyes törzsek agresszív viselkedését, és azt találták, hogy a két szülői törzs egyedei között elég nagy különbségek figyelhetők meg. A C57BL/6By agresszívabb, mint a BALB/cBy. A rekombináns törzsek átvizsgálása azt mutatta, hogy ezek között vannak a szülői törzseknél sokkal agresszívabb és sokkal szelídebb törzsek is. A legagresszívabbnak a C x BG, a legszelídebbnek a C x BH mutatkozott. (A rekombináns beltenyésztett törzsek jelölésére kialakított szokás szerint a C x B tartalmazza a két szülői törzs nevének első betűit, valamint a keresztezés jelét, a további betűk vagy számok az egyes rekombinánsokat jelölik.) Ez utóbbi lett a „teszt törzs". A továbbiakban az agressziót úgy mérték, hogy a vizsgálandó állatokat ennek a törzsnek az egyedeivel engedték össze, és számolták, hány agresszív összecsapást kezdeményeztek a vizsgált állatok három perc alatt. Egy mérési sorozat eredménye a következőket mutatta:

Törzs

Agresszív aktusok száma / 3 perc

BALB/cBY

1,82

C57BL/6By

2,76

F1

3,95

CxBD

2,40

C x BE

3,15

C x BG

4,90

C x BH

0,60

CxBI

2,47

C x BJ

1,62

CxBK

1,72

Az adatok alapján a homozigóta törzseket négy jól megkülönböztethető csoportba lehet sorolni, ami két független lokusz hatásának felel meg. Az adatokból az is következik, hogy az egyes lokuszoknak megfelelő allélok kodomináns viszonyban vannak egymással. A besorolás és a feltételezett génkombinációk a következők:

Törzs

Agresszív aktusok törzsi átlaga

Csoport

Genotípus

C x BH

0,60

 

aabb

CxBJ

1,62

  

CxBK

1,74

1,72

aaBB

BALB/cBy

1,82

  

CxBD

2,40

  

CxBI

2,47

2,69

AAbb

C x BE

3,15

  

C x BG

4,9

4,90

AABB

F1

3,95

3,95

AaBb

A vizsgálatokat nagyon leegyszerűsítve mutattuk be, az említetteken kívül még számos kontrollkísérletet is végeztek. Megvizsgálták például, hogy az egyes genotípusokra hogyan hatnak a különböző genotípusú felnevelő szülők, valamint teljes szervátültetés – méhtranszplantáció – segítségével a méhen belüli környezeti hatást is figyelembe vették. A genetikai modellt ki kellett egészíteni egy, a petesejtben levő citoplazmatikus faktorral, mert ha keresztezték a C x BG nőstényeket (a legagresszívabb törzs) C x BH hímekkel (a legszelídebb törzs), majd a keresztezésből származó nőstényeket újra keresztezték C x BH hímekkel, más agresszivitási értéket mértek, mint a megfelelő reciprok keresztezésben, a következőképpen:

Keresztezés

Agresszív aktusok átlaga

(CxBG-nőst. x C x BH-hím)-nőst. x C x BH-hím (C x BH-nőst. x C x BG-hím)-nőst. x C x BH-hím

2,11

1,08

Minthogy mindkét keresztezésben feltehetően azonos X-kromoszómák szerepelnek, a különbséget csak valamilyen citoplazmatikus faktor hatásával lehet megmagyarázni. Ilyen citoplazmatikus faktorok hatását más egerekkel folytatott kísérletben is kimutatták, valószínűleg valamilyen mitokondriális fehérjéről vagy enzimről van szó.

A rekombináns törzsek ugyan sokkal finomabb analízist tesznek lehetővé, mint az egyszerű mendeli populációk, de előállításukhoz hosszú időre és igen sok munkára van szükség. Az ELTE Etológiai Tanszékén ezért erre alkalmas gerinceseken, halakon egy olyan új módszert dolgoztunk ki, amellyel a rekombináns törzsek előállítása meggyorsítható. A tenyésztési módszer a partenogenezis (szűznemzés) egyik fajtáját, az inaktivált spermiumsejtekkel történő gynogenetikus szaporítást használja ki. Gynogenezis segítségével már néhány generáció alatt nagymértékben homogén rekombináns törzsek állíthatók elő (Nagy és Csányi, 1982, 1984; Nagy és mtsai, 1983; Gervai és Csányi, 1984).

A módszer lényege a következő. A mesterséges gynogenezis során a petesejteket olyan spermiumsejtekkel termékenyítjük meg, amelyeket előzőleg röntgenbesugárzással inaktiváltunk. A besugárzás hatására a nagymolekulájú DNS a spermiumsejtekben lebomlik, és az ilyen módon inaktivált sejtek csak arra képesek, hogy megindítsák a zigóta fejlődését, de az apai genom semmilyen formában nem vesz részt az embrió kialakításában. Zömmel haploid, anyai genomot tartalmazó embriók keletkeznek, amelyek a kikelés után rövidesen elpusztulnak. Különböző módszerekkel megoldható, hogy életképes diploidok is keletkezzenek. Az általunk használt módszerben a zigóta hőkezelésével megakadályoztuk a második poláros test megtermékenyítés utáni kizáródását. Ebben az esetben a gynogenetikus diploid nem lesz tökéletesen homozigóta, mert a meiotikus rekombinációk miatt a poláros test és a női pronukleusz kromoszómái különböző allélokat hordozhatnak. A rekombináció ellenére a homozigócia mértéke jelentősen megnő. Egy generációnyi gynogenezis megfelel nyolc-tíz testvérpárosításnak. Még gyorsabban nő a gynogenetikus populációk izogenitása, az egyedek genetikai hasonlósága, amely már 3-4 generáció után közel van a maximális I = 1 értékhez. Szexuális és gynogenetikus generációk váltakoztatásával igen gyors beltenyésztést lehet elérni.

Gynogenezis segítségével egyetlen nőstényből, két génsorozat hordozójából, néhány generáció alatt kívánság szerinti számban állíthatók elő az eredeti anyai génsorozatok rekombinációit hordozó gynogenetikus rekombináns törzsek (63. ábra).

63. ábra - Gynogenetikus rekombináns paradicsomhal törzsek előállítási sémája. Gynogenezis segítségével egyetlen nőstényből, két génsorozat hordozójából, néhány generáció alatt kívánság szerinti számban állíthatók elő az eredeti anyai génsorozatok rekombinációit hordozó gynogenetikus rekombináns törzsek. A kísérletek kiértékeléséhez használt genetikai modell lényegében ugyanolyan, mint amit a rekombináns törzseknél alkalmaznak (Gervai és Csányi, 1984 alapján)

kepek/063.jpg


A gynogenetikus rekombináns törzsek készítésének további előnye, hogy előállításukhoz nincs szükség két teljesen homogén beltenyésztett törzsre, mert egyetlen szülőből, egyetlen anyából lehet a törzspopulációt leszármaztatni. Így bármilyen eredetű egyed, akár egy vad is, kiindulása lehet egy törzspopulációnak. A kísérletek kiértékeléséhez használt genetikai modell lényegében ugyanolyan, mint amilyet a rekombináns törzseknél bemutattunk.

A gynogenetikus technika megkönnyíti szubrekombinációs populációk előállítását is, ezzel a genetikai analízis felbontóképessége még tovább növekszik. Elvileg minden olyan genetikai különbség felderítésére alkalmas, ahol az allélváltozatoknak megfelelő fenotípusosztályok egyáltalán megkülönböztethetők. Ezt viszont nagymértékben elősegíti, hogy az egyes fenotípusosztályok megmérésére egy egész törzs, elvileg korlátlan számú egyed áll rendelkezésre. Saját, Gervai Judittal közösen végzett, kezdeti magatartás-vizsgálatainkból (Csányi and Gervai, 1985, 1986) egy „nyílt tér belső terület bejárása” paraméterének genetikai analízisét mutatjuk be gynogenetikus paradicsomhal törzsek segítségével.

Két, sokféle magatartásformában különböző paradicsomhal törzs, az S és az U keresztezésével készített hibridből állítottunk elő gynogenetikus rekombináns törzseket, szám szerint tizenhatot. Megmértük minden törzs egy-egy csoportján a „nyílt tér” tesztet, az adatok a 64. ábrán láthatók.

64. ábra - Paradicsomhal rekombináns törzsek „nyílt tér” tesztjének eredményei - Két, sokféle magatartásformában különböző paradicsomhal törzs (S és U) keresztezésével készített hibridből előállított 16 gynogenetikus rekombináns törzs 46. ábrán látható készülékben mért teszteredményeinek eloszlása. A két szülői törzs a mért fenotípus-tartomány két szélén helyezkedik el, bár mindkettő esetében van egy nagyobb, illetve egy kisebb értékeket adó rekombináns törzs. A törzsek zöme nagyjából egyenletesen a két szélső érték között foglal helyet. Az adatok analíziséből arra lehet következtetni, hogy ez a magatartási paraméter egy poligénes modellel jellemezhető a legjobban, sok apró gén nagyjából azonos hatásának feltételezésével. Megfelelő varianciaanalízis segítségével az örökölhetőség és más genetikai paraméterek is kiszámíthatók (Csányi és Gervai, 1986 alapján)

kepek/064.jpg


A két szülői törzs a mért fenotípus-tartomány két szélén helyezkedik el. Bár mindkettő esetében van egy nagyobb, illetve egy kisebb értékeket adó rekombináns törzs, a törzsek zöme nagyjából egyenletesen a két szélső érték között foglal helyet. Az adatok analíziséből arra lehet következtetni, hogy ez a magatartási paraméter egy poligénes modellel jellemezhető a legjobban, sok apró gén nagyjából azonos hatásának feltételezésével. Megfelelő varianciaanalízis segítségével az örökölhetőség és más genetikai paraméterek is kiszámíthatók.

Az utóbbi években számos olyan genetikai módszert fejlesztettek ki, amellyel a magatartást szabályozó központi idegrendszeri struktúrák pontos elhelyezkedésére lehet következtetni. Az egyik ilyen technikával bizonyos rovarfajokból hím és nőstény szövetekből álló „szexmozaikot” lehet előállítani, és vizsgálni tudjuk, hogy a szexuális magatartás szabályozásában a különböző belső és külső testrészek milyen szerepet töltenek be.

Olyan mutánsokat, amelyekkel szexmozaik állat készíthető, eddig az ecetmuslicánál, a házi légynél, a méheknél és a darazsaknál találtak. A szexmozaik állatok kialakulásának a mechanizmusa a következő.

Ezeknek az állatoknak a nőstényei mindig diploidok, és két X-kromoszómájuk van, a hímek pedig lehetnek haploidok (méhek, darazsak) vagy diploidok is (ecetmuslica), de csak egy X-kromoszómájuk van. A szexuális tulajdonságok szervezeten belüli összehangolása hormonok segítségével, mint ez a magasabbrendűeknél ismert, a rovarszervezetben nem következik be, ezért szerveinek, illetve szöveteinek aktivitását egyedül a sejtek genotípusa határozza meg. Át lehet ültetni például egy hím állatba női nemi szerveket, és azok ott szabályosan funkcionálnak, ugyanakkor az állat továbbra is hím magatartást mutat, viselkedésében semmiféle zavart nem okoz az átültetett ellentétes nemi szerv. A mozaik mutánsok speciális gyűrű alakú kromoszómát tartalmaznak, amely, ha a megtermékenyítés során a zigótába kerül, igen nagy százalékban kilökődik a zigóta korai osztódásai során. Így, ha egy fejlődésnek induló női típusú zigóta egyik X-kromoszómája ezt az elváltozást mutatja, a belőle kifejlődő embrió és később a felnőtt állat szervezetének sejtjei kétféle sejttípusból állnak majd: női, két X-kromoszómát tartalmazó sejtekből és hím, egy X-kromoszómás sejtekből. Mivel az egymáshoz hasonló sejtek az embrió fejlődésének kezdeti szakaszában hajlamosak együtt maradni, a felnőtt szervezet nagyobb részei (teljes belső szervek, szárny, láb, csáp) egynemű sejteket tartalmaznak, és tisztán hím vagy tisztán női genotípusúak lesznek. Olyan mozaikrészek is előfordulnak, amelyek a

hím és a női sejteket egyenletesen elosztva tartalmazzák. Nagyszámú mozaik állatot előállítva aránylag könnyen össze lehet válogatni olyan egyedekét, amelyek előre meghatározott testrészen hím vagy női típusúak, tehát például nőstény testű, hím fejű állatot vagy olyat, amely mozaik idegrendszert tartalmaz.

A 65. ábrán bemutatjuk Benzer (1971) vázlatát a szexmozaik ecetmuslica készítéséről.

65. ábra - Szexmozaik ecetmuslicák előállítása és fejlődése (Benzer, 1971 nyomán)

kepek/065.jpg


Clark és Egen (1975) egy fürkészdarázs, a Haborbracon juglandis szexmozaik mutánsaival végzett kísérleteket. A szexmozaik állatokat olyan törzsek segítségével készítették, amelyek testszínét szintén a nemük határozta meg. A nőstények barna színűek, a felhasznált hímek pedig mézszínűek voltak. A színek kialakulásáért az X-kromoszómán elhelyezkedő recesszív gének a felelősek. A diploid, két X-kromoszómát tartalmazó női testrészek színe vad típusú barna lesz, mert a recesszív allélok komplementálják egymást, a hím testrészek viszont, amelyek haploid sejteket tartalmaznak, mézszínűek. A recesszív színgének segítségével a külső testrészek színe alapján könnyű az egyes szerveket azonosítani. (A belső szervek neme mindig követi a kültakaró nemét, de mutáns enzimek segítségével a belső szervek sejtjeinek neme is pontosan ellenőrizhető.) Több mint 12 000 szexmozaik rovart állítottak elő, és ezek közül válogatták ki azokat, amelyek „összetétele” a magatartás- vizsgálatok céljainak a legjobban megfelelt.

A fürkészdarázs szexuális viselkedése nagyon könnyen megfigyelhető. A hím a nőstény észlelésekor szárnyait sajátos, gyors vibrálással felemeli, majd megközelíti a nőstényt és párosodik vele, miközben a csápjait és szárnyait ritmikusan rezegteti. A nőstények magatartása legkönnyebben a táplálkozásra és a lárváik etetésére szolgáló hernyók zsákmányolási módjával jellemezhető. A nőstény a lisztmoly (Ephestia kuehniella) hernyóit támadja meg. Megközelíti, csápjával gyorsan végigtapogatja a hernyót, majd felugrik rá, és fullánkjával egy bénító injekciót ad neki. Ezután fogyaszt a hernyó testnedveiből, és elhelyezi benne a petéit.

Clark és munkatársai az előállított mozaik állatokat sorra összehozták egy-egy hernyóval, majd egy normális nőstény darázzsal, és pontosan megfigyelték a viselkedésüket. Eredményeik a következőkben foglalhatók össze. A szexuális magatartást döntően a fej (az agydúc) genotípusa határozza meg. Lehet az állat teljes teste nőstény típusú, női ivarszervekkel, de ha a feje hím sejtekből épül fel, kizárólag hímként fog viselkedni, vagyis a hernyóval nem törődik, nem reagál rá, és udvarolni próbál a nőstényeknek. (Ugyanilyen kísérletekkel kimutatták, hogy a házi légy szexuális viselkedését a hasi ganglionok szabályozzák, és a fejben lévő idegi struktúráknak semmiféle szerepe nincs a szexuális magatartásban.)

Érdekesek azok a megfigyelések is, amelyeket olyan fürkészdarazsakon végeztek, amelyeknek a feje nem egynemű sejtekből, hanem hím és női sejtek keverékéből állt. Ezek között voltak olyanok, amelyek mind a hím, mind a női magatartást egyformán mutatták. Egy részük sem hím, sem női magatartást nem mutatott. Volt néhány olyan állat, amely nőstények jelenlétére nem reagált, de a hernyó megjelenésekor szabályos udvarlásba fogott, mintha a hernyó saját fajának nősténye lett volna. Végül volt egy olyan állat, amelyik nem reagált a hernyóra, viszont a nőstényeket próbálta fullánkjával megbénítani. A megfigyelésekből a szexuális magatartás szerveződésére lehet bizonyos következtetéseket levonni. A nőstény és a hernyó felismerésére két különböző anatómiai terület szolgál. Normális hímekben a nőstényfelismerő, normális nőstényekben a hernyófelismerő központ funkcionál. Ezek a felismerőközpontok hozzák működésbe a magatartás következő fázisát szabályozó alközpontokat, a hímekben az udvarlást kiváltó elemeket, a nőstényekben a zsákmányolás mozgásmintáit. Mozaik állatokban ezek a szabályozóközpontok egymás mellett is működhetnek, rendellenesen is összekötődhetnek. Így alakulhatnak ki a megfigyelt viselkedésformák (66. ábra).

66. ábra - Mozaik fürkészdarazsak (Haborbracon juglandis) viselkedése (Clark és Egen, 1975 nyomán)

kepek/066.jpg


Ugyanúgy, mint a tücsöknél, itt is kimutatható tehát, hogy bizonyos magatartáselemek és meghatározott neuroncsoportok között egyértelmű összefüggés van, a magatartást szabályozó géneknek pedig ezekben a neuronokban kell a hatásukat kifejteniük.

Ohno és munkatársai (1974) egereken végeztek néhány olyan magatartás-genetikai kísérletet, amelyek elvileg hasonlók az előbbihez. Ugyanúgy, mint a fürkészdarázs esetében, itt is a nemi kromoszómák mutációit vették igénybe. Előrebocsátjuk azt, hogy az egér szexuális fejlődésében az anatómiát és a magatartást illetően is fontos szerepet játszanak a X- és Y-kromoszómán elhelyezkedő gének. Az XX és X0 genotípusú (egyik X-kromoszómája hiányzik) egerek női nemi szerveket fejlesztenek, és magatartásuk is nőstényekre jellemző. Az XY genotípusú egerek hímek, az Y-kromoszóma funkciója kettős: egyrészt olyan géneket tartalmaz, amelyek a spermiumsejtek differenciálásában játszanak szerepet, tehát Y-kromoszóma nélkül ép, mozgékony spermium nem fejlődhet. Másrészt az egészen korai embrionális fejlődés stádiumában megindítják az androgén szteroidok termelését a gonádkezdeményekben, és ezek hatására az egér szöveteinek bizonyos fajtái, például az elsődleges és a másodlagos nemi jellegeket alakító szövetek, a hím fenotípus irányába fejlődnek. Ugyancsak korai hím hormon hatás kell ahhoz, hogy az egér agyában a hím magatartásért felelős neuroncsoportok kifejlődjenek, mert a fürkészdarázstól eltérően az egérben és a többi emlősben nem egyedül a sejtek genotípusa határozza meg a szövetek nemi jellegét. Az androgén hormonok hatásának van egy kritikus periódusa az embrió életében. Ha a kritikus periódusban az androgén jelen van, megtörténik a megfelelő neurális központok átállítása a hím differenciáció irányába. A kritikus periódus lezárulása után adott hím hormon már hatástalan, az állat fenotípusos nőstény lesz.

Ohno és munkatársai három egérmutánst használtak. Az első az (szextranszformáns) volt. Ez olyan, valamelyik autoszómán lokalizálható mutációt hordozó egér, amelyben a mutáns gén hatására a női genotípusú állatból is hím fenotípus fejlődik ki. A mutáció domináns, tehát az adott génben heterozigóta állatok is hím fenotípusúak. Az X/X, Sxr egerek fenotípusra nézve tökéletes hímek, szexuális magatartásuk is a hímekével azonos. Egyetlen különbség, hogy a heréik valamivel kisebbek a normálisnál, és a spermiumsejtek fejlődése különböző zavarok miatt nem folyik normálisan, tehát sterilek.

A második mutáns a Tfm (testicularis feminizáció) volt. Ez a mutáció egy, az X-kromoszómában levő gént érint, amely az androgén hormon receptorfehérjéjének a strukturális génje. A mutáns Tfm gén hatására olyan receptor termelődik, amely csak kismértékben képes a felületén az androgén hormonokat megkötni, ezért az X(Tfm), Y egér szövetei nem a hím, hanem a női irányba differenciálódnak, aminek az az eredménye, hogy a felnőtt állat küllemileg, nemi szerveit, magatartását illetően női fenotípusú lesz. Testében viszont mindig megtalálhatók a csökevényes herék, amelyek az Y-kromoszóma hatására fejlődnek ki, innen adódott a mutáns neve is.

Végül a harmadik mutáns egér az X-kromoszómáin olyan mutációt hordoz, ami az X-kromoszóma inaktiválódási folyamatában játszik szerepet. Egérben, emberben is a női XX genotípusban csak az egyik X-kromoszóma funkcionál. A megtermékenyítés után néhány sejtosztódással az egyik X-kromoszóma „összecsomagolódik", az ún. Barr-test lesz belőle, amely a felnőtt állat sejtjeiben megfelelő festéssel felismerhető. (A sportversenyeken bevezetett szexvizsgálatok is a Barr-test kimutatásán alapszanak.) A becsomagolódott kromoszóma génjei nem működnek, inaktívak. Az X- kromoszóma Ohv mutációja egy, az említett inaktiválódási folyamatot szabályozó gént érint. A normális alléi jelenléte esetén a két X-kromoszóma 1:1 arányban inaktiválódik, vagyis egy sejten belül az egyes kromoszómák inaktiválódásának valószínűsége 0,5. Az Ohv mutáció esetében a mutáns gént tartalmazó kromoszóma inaktiválódási aránya l:4-re csökken, és a sejtek 80%-ában a normális X-kromoszóma fog inaktiválódni.

Most már minden készen áll a kísérlethez. Kidolgoztak egy magatartásteszt-sorozatot, amelynek segítségével az egerek különböző nemű partnereikhez való viszonyát értékelni lehet. Vizsgálják tehát a hímek egymás közötti és a nőstényekkel szembeni magatartását és ugyanígy a nőstények esetében. A tesztek az agresszív és a szexuális magatartás apró elemeinek megfigyeléséből állnak. A magatartás-vizsgálatokhoz X(Tfm),Ohv/X(++), Sxr genotípusú egereket készítettek. Ezek az egerek genetikai szempontból nézve nagyon furcsa állatok. Sejtjeik két X-kromoszómát tartalmaznak, mint a normális genotípusú nőstények, az Sxr gén miatt azonban a fenotípusnak hímnek kellene lennie. Az X-kromoszómák egyikén jelen levő Tfm mutáció viszont olyan sejtek kialakulásához vezet, amelyekben hibás az androgénreceptor (az Sxr mutáns egyébként normális mennyiségű hím hormont termel), és így ezek a sejtek nem fognak hím irányba differenciálódni, hanem megmaradnak női típusúnak. A Tfm azonban csak az egyik X-kromoszómán van jelen, tehát a másik X-kromoszóma alapján mégis megtörténhetne a hím differenciáció. Mivel azonban egy sejtben vagy csak az egyik, vagy csak a másik X-kromoszóma aktív, végeredményben hím, illetve női típusú differenciálódásra képes sejtek keverékét, azaz fenotípusos mozaikot fogunk kapni. Az Ohv mutációval lehet szabályozni a két típus arányát. Ha az Ohv a Tfm mutációval együtt van, akkor kevesebb hím és több női típusú sejt fejlődik, pontosan az 1:4 aránynak megfelelően.

A kísérlet tervezői ennek a speciális mozaik egérnek a viselkedésétől a következőket várták: a női és hím típusú sejtek eloszlása nyilvánvalóan az agyban is érinteni fogja a neuronok differenciálódási folyamatait. Attól függően, hogy hány egér fog hímként, illetve nőstényként viselkedni, bizonyos következtetéseket lehet majd levonni a hím és női magatartást szabályozó neuroncsoportok tulajdonságairól. Nagyobb számú állatot átvizsgálva a következő eredményeket kapták. Az állatok egy része a magatartást illetően teljes értékű hím, illetve nőstény lett, kis százaléka szexuálisan neutrális. A többiek között a legkülönbözőbb kombinációkban lehetett a hím és nőstény magatartás egyes egységeit megfigyelni. Voltak olyan hím állatok, amelyek a nőstényeket bizonyos szempontból hímként kezelték, olyan agresszív magatartást tanúsítottak velük szemben, amit normális állatokon csak a hímek találkozásakor lehetett megfigyelni, szexuális szempontból viszont megfelelően kezelték a nőstényeket. Voltak olyan nőstények, amelyek viszont nőstény társaikkal szemben hímként viselkedtek és így tovább; valamennyi lehetséges kombinációt meg lehetett figyelni. A megfigyelések alapján arra következtettek, hogy az egér agyában a hímekkel és a nőstényekkel szembeni agresszió, valamint a szexuális magatartás teljesen különálló neurális központokban szabályozódik, a magatartásformák neurális alapjai a hormonok hatására a neuronok differenciálódása során alakulnak ki. A különböző típusok arányaiból még azt is ki lehetett számítani, hogy aránylag kis számú sejtből (10-15) fejlődnek ki a hím és a női szexuális magatartást szabályozó neuronok, és igen nagy a központok redundanciája. Ha egy-egy neurális központban a normálisnál jóval kevesebb sejt kerül megfelelően differenciált állapotba, még akkor is képes funkcióját ellátni.

Nemcsak bonyolult genetikai módszerekkel lehet mozaik egereket előállítani, hanem egyszerű fizikai módszerrel is. Különböző genotípusú egerek megtermékenyí

tett petesejtjeit in vitro körülmények között nyolcsejtes állapotukig nevelnek. Ekkor két embrió sejtjeit mikroszkóp alatt egy mikromanipulátor segítségével egyesítik, az immár 16 sejtet tartalmazó mozaik embriót visszaültetik valamelyik anyába, és ott az embrió elég nagy valószínűséggel megtapad és fejlődésnek indul. A belőle kifejlődő egér, hacsak a kiindulási sejtek valamelyike nem sérül meg és pusztul el, nagyjából 50-50%-ban fogja tartalmazni a kétféle fenotípusnak megfelelő sejteket. Ezeket az egereket „négyszülős” egereknek is nevezik, és segítségükkel különböző élettani és neurobiológiai problémákat lehet megoldani. Egy, a látás élettanával kapcsolatos kísérletet mutatunk be.

Wegmann és csoportja (1971) az öröklött retinadegenerációt tanulmányozta mozaik egerekkel. Az öröklött retinadegenerációt az egérben egyetlen gén mutációja okozza, a mutáns jele „rd", és a mutáns alléi recesszív a vad típussal szemben. A homozigóta recesszív egyedekben a születés után kb. a 11. napig még normálisan fejlődik a retina, de ekkor a foto-receptorsejtek degenerálódni kezdenek, és 30 napos korra az állatok teljesen megvakulnak, látósejtjeik elpusztulnak. A gén biokémiai funkcióját nem ismerik, így a degeneráció okát sem tudják. Milyen hipotézisek fogalmazhatók meg?

a) A hibás gén a retinasejteken belül fejti ki hatását a sejtdifferenciálódás során, a hatás szigorúan a retinasejtekhez kötődik.

b) A gén nem a retinasejtekben fejti ki hatását, hanem a szervezetben valahol másutt, hatására olyan anyag(ok) keletkeznek, amely(ek) a retinasejtekhez eljutva azok degenerációját okozzák.

c) A gén nem a retinasejtekben fejti ki a hatását, hanem másutt, és hatására inaktív formában keletkezik egy, a retinasejt normális fejlődéséhez szükséges anyag.

Minthogy a gén recesszív, nagyon nehéz a három lehetőségre egyértelmű választ kapni, mert a domináns vad típusú alléi egyetlen példánya a heterozigótákban képes kivédeni a recesszív gén hatását.

Wegmann két genotípusból állította össze a mozaik egeret. Az egyik a C57BL/10SnJ törzs, amelynek normálisan fejlődik a retinája, tehát a domináns vad típusú alléit (rd+/rd+) tartalmazza. A másik genotípus a C3H/HeJ törzs, amelyik az rd génre nézve (rd/rd) homozigóta. Ezenkívül a két törzs tartalmaz olyan géneket, amelyek alapján a sejtjeik morfológiailag és biokémiailag megkülönböztethetők. A retinadegenerációban szenvedő törzs aguti színű, a másik fekete bundájú, és a két törzs hemoglobinmolekuláinak bétalánca egy aminosavban különbözik, úgyhogy hemoglobinjuk könnyen megkülönböztethető.

Ezekre a jelölő (marker) génekre azért van szükség, hogy bizonyosan felismerjék a mozaik egerek típusát. Nyilvánvaló, hogy ha az összerakás után kifejlődött állat tiszta aguti vagy tiszta fekete lesz, akkor nem tartalmaz olyan sejteket, amelyek a másik genotípusból származnak, vagyis ebben az esetben nem sikerült mozaikot előállítani. A hemoglobin vizsgálata alapján pedig a vérsejtek eredete dönthető el.

A két megjelölt genotípusból az előbb ismertetett módszerrel négyszülős hibrideket állítottak elő, a normálisan megszületett állatokból a bundaszín és a vér hemoglobinjának vizsgálata alapján kiválasztották azokat az egyedeket, amelyek nagyjából egyforma mennyiségű sejtet tartalmaznak minden genotípusból, és vizsgálták a retina fejlődését.

Nyilvánvaló, hogy

a) esetben a retinának is mozaikszerűen kell degenerálódnia, hiszen a két genotípus sejtjeinek keverékéből áll,

b) esetben a mozaik egér teljes retinája degenerálódni fog,

c) esetben a retina ép lesz.

A kísérleti eredmények az a) feltevést igazolták. A születés utáni harmincadik napra a mozaik egerek retinája mozaikszerűen degenerálódott. Vagyis a hibás gén a retinasejteken belül fejti ki hatását.

A mozaik állatokkal sokféle hasonló és teljesen új probléma vizsgálható, ha az egyes magatartásformák és a gének közötti szerveződési szintek mechanizmusaira vagyunk kíváncsiak.

Etogenetika

A magatartás-genetikán belül, mint ezt már említettük, többféle irányzat alakult ki egymás mellett. Az etológia termékenyítő hatására jelent meg a természetes magatartásegységek genetikai hátterével foglalkozó magatartás-genetika, amelyet újabban etogenetikának is neveznek. Ilyenfajta vizsgálatokra az agresszióval, a fészeképítő viselkedéssel stb. kapcsolatban már bemutattunk néhány példát. A viselkedés genetikai hátterével kapcsolatos utolsó fejezetünkben néhány olyan további kísérletet ismertetünk, amelyek elsősorban arról nevezetesek, hogy valamiképpen hozzájárultak az etológia saját problémáinak a tisztázásához. Genetikai eszközökkel is sikerült bizonyítani, hogy a magatartás elkülöníthető kisebb egységekre, elemekre, ezeknek az egységeknek a genetikai szerveződése is elkülönül. Külön gének hozzák létre magát a mozdulatot, az ilyen géneket nevezi Manning (1961) magatartási strukturális géneknek. Külön gének szabályozzák az egyes viselkedési elemek intenzitását, az egyes elemek sorrendjét, ezek a magatartás-szabályozó gének. Vannak olyan esetek, amikor egy-egy magatartáselem egyetlen gén működésére vezethető vissza, gyakoribbak azonban a poligénes rendszerek. A fajhibridek F2 generációinak variabilitásából, valamint saját beltenyésztett törzseinkből készített hibridek vizsgálatából arra lehet következtetni, hogy ezek aránylag kisszámú, 2-10 génes mechanizmusok (Gervai és Csányi, 1986). Az a jelenség, hogy a nyilvánvalóan poligénes magatartáselemek több generáción keresztül „együtt” maradnak a hibridek szegregáló generációiban, arra utal, hogy a magatartás strukturális génjei egy-egy elem esetében szorosan egymás mellett helyezkednek el a kromoszómán, ami megint csak az etológiai magatartásegység, -elem koncepció alapvetően helyes megfogalmazását támogatja.

Az etológia módszertanával foglalkozó részben már bemutattuk vizsgálatainkat a paradicsomhal magatartásegységeivel kapcsolatban. Kültenyésztett populáció, beltenyésztett és gynogenetikus rekombináns törzsek genetikai architektúrájának analízisével kimutatható volt, hogy e magatartásegységek előfordulási gyakorisága, intenzitása genetikailag szigorúan meghatározott, jelentős törzsek közötti különbségek mérhetők, az egyes magatartásegységek esetében számított értékek egészen magasak, 0,8-0,95 közé esnek. Szelekció segítségével az egyes elemek előfordulási valószínűsége megváltoztatható. Különböző környezetekben, különböző törzsekkel végzett megfigyelések során nyert adatok faktoranalízise alátámasztotta az egyes egységek sajátos, közösen szabályozott magatartási komplexekbe tömörülését. Az etológiai modellek tehát genetikai vizsgálattal is megerősíthetők.

Ramsey (1961) kacsák fajhibridjeinek magatartás-analízisével arra talált bizonyítékot, hogy az egyes magatartásformákban az egységek sorrendje is genetikailag szabályozott. Korábban Lorenz (1977) és tanítványai nagyon részletesen feldolgozták a különböző kacsafajok etogramjait, és megállapították, hogy a hímek udvarló magatartását 10 jól megkülönböztethető elemre lehet bontani, ezeket a 67. ábrán mutatjuk be.

67. ábra - A tőkés réce (Anas platyrhynchos) hímek udvarló magatartásának elemei

kepek/067.jpg


Ramsey a tőkés réce (Anas platyrhynchos), a kontyos réce (Anas fuligula) a karmos réce (Anas rubripes) és a nyílfarkú réce (Anas acuta), valamint hibridjeik hímjeinek udvarló magatartását elemezte. Megállapította, hogy az egyes elemek mind a négy fajban azonos, meghatározott sorozatokban jelennek meg. A 67. ábrán használt számozást használva ilyen sorozatokat figyelt meg:

3-1-2

3-1-4

1-10

9-7

1-5-6-7-8

3-2-3-4-4-3-5-6-7-9

A karmos réce és a kontyos réce hibridjei a 3-1-4 helyett a 3-4 sorozatot mutatják. Teljesen új kombinációként jelenik meg az 5-10 és az 5-6-7-5-6-7 szekvencia, amely a szülőknél sohasem figyelhető meg.

A tőkés és a nyílfarkú réce hibridje a 3-1-4 helyett a 3-4-1 sorrendet mutatja. Új szekvenciaként a 10 - 5 - 1 jelentkezik. Sajnálatos, hogy különböző okok miatt a szekvenciák szabályozásának genetikai analízisét nem végezték el.

Egylokuszos szabályozórendszert mutatott ki a tüskéspikó (Gasterosteus aculeatus) hímjeinek fészeképítő tevékenységében Sevenster és ‘T Hart (1974). A tüskéspikóval szintén sokat foglalkoztak az etológusok, különösen Niko Tinbergen, és így jól ismerjük a különböző magatartásformáit. Tavasszal, az ívási időszak kezdetén a hímek kiszínesednek, és a sekélyebb vizekben elfoglalnak egy-egy territóriumot, amelyet a fajtárs hímektől megvédenek. A territórium közepén növényi anyagokból fészket építenek. A fészek elkészülése után ide vezetik a közelben tartózkodó nőstényeket, itt történik az ívás. A nőstény a fészekbe rakja az ikráit, amelyeket a hím a megtermékenyítés után gondoz. A fészek építése elég hosszadalmas folyamat. A hím növényi szálakat hord össze, és ezeket nyálkás anyaggal, amelyet veséi választanak ki, összeragasztja. Építés közben a készülő fészekgombolyagba időnként oldalról beletúr, így egy öblös része alakul ki az építménynek. A fészeképítés befejező aktusa a következő: a hím megint befúrja fejét a fészekbe, de most nem húzza vissza, mint eddig az „öböl” készítésekor tette, hanem erőteljes farokcsapásokkal segítve magát, teljesen keresztülfúrja a fészket, és a bejárattal ellenkező oldalon kijön belőle. Az eredmény egy „alagút” (68. ábra).

68. ábra - A tüskéspikó fészke - A hím növényi szálakat hord össze, és ezeket nyálkás anyaggal, amelyet veséi választanak ki, összeragasztja. A fészeképítés befejező aktusaként a hím erőteljes farokcsapásokkal segítve magát teljesen keresztülfúrja a fészket. A továbbiakban a felkínálkozó nőstényt az alagút bejáratához vezeti, előreengedi, a nőstény behatol a fészekbe, lerakja ikráit, és az alagút másik nyílásán távozik. A hím követi, és a fészekben megtermékenyíti a lerakott ikrákat

kepek/068.jpg


A továbbiakban a felkínálkozó nőstényt az alagút bejáratához vezeti, előreengedi, a nőstény behatol a fészekbe, lerakja ikráit, és az alagút másik nyílásán távozik. A hím követi, és a fészekben megtermékenyíti a lerakott ikrákat, majd ő is az alagút kivezető nyílásán távozik.

Természetes körülmények között az alagútfúrás során a hím csak egyetlenegyszer megy keresztül a fészken. A fészek kinyitása után az udvarlás fázisa következik. Az említett két kutató több beltenyésztett tüskéspikó törzset tartott fenn laboratóriumában, és ezek között talált egy olyat, amely abban különbözik a vad típustól, hogy a fészek kinyitásának műveletét mindig vagy legalábbis az esetek többségében kétszer végzi el. Amint először keresztülfúrja magát a fészekgubancon, azonnal megfordul és újrakezdi a műveletet, ekkor is erőteljesen verdesve a farkával, noha erőfeszítésre már nincsen szükség. A „T” jelű „kétszer-fúró” törzs 8. beltenyésztett generációját keresztezték egy, a duplázást nem mutató másik törzs 4. generációjával, és az egyes csoportok több egyedénél, több alkalommal megfigyelték a fúrási technikát. Az egyes csoportoknál összegezve a fészeképítésre eső dupla fúrások százalékos megoszlását, a következő eredményeket kapták:

T8(83%) X V4(0%)

F1(0%)

F2(23%)

B1(0%)

Noha a recesszív szülővel végzett keresztezés hiányzik, az adatokból egylokuszos génhatásra lehet következtetni. A kétszeres fúrást előidéző allél recesszív. Itt egy olyan szabályozógént sikerült kimutatni, amelynek az egyetlen funkciója, úgy látszik, egy meghatározott magatartáselem megismétlése.

Az egyes elemek jelenlétén, gyakoriságán és sorrendjén kívül különböző lehet az adott mozdulat intenzitása is. Az intenzitás megnyilvánulhat a mozdulat „kitartásában”, tehát időtartamban, a csapkodás, a remegés, a böködés frekvenciájában vagy más hasonló tényezőben.

Jakway (1959) a tengerimalacok szexuális magatartásának analízise során a hímek viselkedését hét magatartásegységre bontotta:

1. körözés a nőstény körül,

2. szagolgatás,

3. csipkedés,

4. dörgölés orral,

5. meghágás,

6. behatolás,

7. ejakuláció.

Különböző beltenyésztett törzseket vizsgáltak, és ezeket az elemeket valamennyiben megtalálták. Az egyes elemek intenzitása azonban nagymértékben különbözőnek bizonyult. A 69. ábrán bemutatjuk a dörgölés elemének átlagos intenzitását, az általuk vizsgált 2. és 13. tengerimalac törzs, valamint ezek hibridjei és a visszakeresztezett populációk esetében. Az adatok jellegéből látható, hogy a dörgölés elemének intenzitását szabályozó gének a 13-as törzsben domináns jellegűek, és az öröklésmenet poligénes jellegre utal.

69. ábra - A tengerimalac hímek szexuális magatartásában megfigyelhető „dörgölés orral” magatartáselem előfordulási gyakorisága különböző hibridekben - Az ábrán a magatartáselem átlagos intenzitása látható a vizsgált 2. és 13. tengerimalactörzs, valamint ezek hibridjei és a visszakeresztezett populációk esetében. Az adatok jellegéből látható, hogy a „dörgölés orral” elemének intenzitását szabályozó gének a 13-as törzsben domináns jellegűek, és az öröklésmenet poligénes jellegre utal

kepek/069.jpg


Hasonlóképpen analizálták a többi elemet is. Megállapították, hogy az egyes elemek egymástól függetlenül öröklődnek, valamennyien poligénes jellegűek, és az egyes beltenyésztett törzsek jelentősen különböznek egymástól az elemek intenzitásában. Valószínűleg maga az intenzitás szabályozása is poligénes jellegű.

Az állati agy modellkészítő tevékenységével kapcsolatos fejezetben paradicsomhalakon végzett kísérletek alapján majd bemutatjuk, hogy elemi viselkedési szabályok, például annak eldöntése, hogy az állat megközelít valamit vagy eltávolodik tőle, továbbá a tapasztalat változtató szerepe az ilyen döntési folyamatokban, mind genetikai tényezők által szabályozott viselkedési mechanizmus. Ezek felderítése csak az élettan, a genetika és az etológia szoros együttműködésétől várható.

Végül, alaposan leegyszerűsítve, bemutatunk egy olyan kísérletsorozatot, amelyben a magatartás szerveződési szintjétől a neuronhálózaton keresztül a génexpressziót kísérő biokémiai reakciókig sikerült a teljes ok-okozati összefüggést felderíteni egy magatartás-mintázat és a magatartásért felelős gén között, sőt először sikerült izolálni egy magatartásgént.

A kísérlet alanya a tengeri nyúl (Aplysia californica), egy puhatestű, amely több kilogrammosra is megnő, idegrendszerében mégis mindössze 20 000 neuron van. Ezek a neuronok négy pár feji és egy hasi idegdúcban elosztva találhatók. A neuronokba kényelmesen lehet mikroelektródákat vezetni, és mérni a sejtek elektromos tevékenységét. Sikerült is felderíteni, hogy az egyes öröklött magatartási mintázatokat létrehozó izommozgások miként jönnek létre az idegsejthálózat tevékenysége nyomán.

Az Aplysia etogramja nem túlságosan bő. Fő elfoglaltsága a táplálkozás, időnként szaporodik, ha szükséges menekül. E. Kandel (1971) és munkatársai elegáns kísérletekkel derítették fel az egyes etológiai magatartási egységek és a neuronhálózat közötti összefüggéseket. Témánk szempontjából a legérdekesebbek a peterakás öröklött mozgásmintázatával kapcsolatos felfedezések. Az Aplysia hímnős, rendszerint egyidejűleg

képes megtermékenyítésre és megtermékenyülésre is. A belső megtermékenyítés után az állat peték ezreit rakja le nagy csomóba, valamilyen tengeri növényre vagy sziklára ragasztva, ahol a peték kifejlődnek. A peterakás akciója több magatartási egységet tartalmaz, amelyek minden egyednél ugyanazon sorrendben következnek, tehát a peterakás fajspecifikus öröklött mozgásmintázat. A peték a petevezeték sima izmainak összehúzódása révén, hosszú füzérként jelennek meg a petevezeték nyílásában. A kilógó petezsinór végét az Aplysia szájával megragadja, majd egy sorozat jellegzetes fejmozdulattal (70. ábra) kihúzza a petevezetékből. Közben a szájában lévő speciális nyálmirigyekből ragadós nyálat választ ki, amelyet ráken a petezsinórra. A fejmozdulatok eredménye egy összegubancolódott, ragadós petefüzér, amely bármilyen szilárd felülethez, növényekhez vagy csupasz sziklához odaragad.

70. ábra - Aplysia californica peterakó mozdulatai

kepek/070.jpg


Hamar kiderült, hogy a teljes peterakó mozdulatsort a hasi idegdúc hormonjai aktiválják. Ha az idegrendszeri központot külsőleg elektromosan ingerük, akkor a neuronok rövidesen tüzelni kezdenek, és olyan ingermintázat fut az állat testének megfelelő izmaihoz, ami a peterakáshoz szükséges ritmikus összehúzódást és elernyedést a megfelelő ütemben váltja ki. Azt is kimutatták, hogy az idegsejthálózatban neuroszekréciós sejtek is vannak, ezek az ún. „zacskósejtek” (71. ábra), amelyek ingerlésre egy fehérjét választanak ki. Ennek a fehérjének nagyon fontos szerepe van az egész neuronhálózat irányításában.

71. ábra - Aplysia californica hasi idegdúcának metszete - A 70. ábrán bemutatott teljes peterakó mozdulatsort a hasi idegdúc hormonjai aktiválják. Az idegsejthálózatban neuroszekréciós sejtek is vannak, ezek az ún. „zacskósejtek", amelyek ingerlésre egy fehérjét választanak ki. Ennek a fehérjének nagyon fontos szerepe van az egész neuronhálózat irányításában (E. Kandel és munkatársai, 1971)

kepek/071.jpg


Azt találták, hogy a peterakást közvetlenül és a leggyorsabban a zacskósejtekből kivont fehérje egyik bomlásterméke, egy mindössze 36 aminosavat tartalmazó peptid idézi elő. A peterakó hormonnak (PRH) elnevezett anyagnak többféle hatása is van. Egyrészt a keringésen keresztül eljut a petevezetékbe és ott összehúzódásra készteti a sima izomzatot, ami a petezsinór kitolásához szükséges, másrészt a hasi idegdúc egyik meghatározott neuronját, az R15-öt aktív transzmitter anyagként ingerli (72. ábra).

72. ábra - Az Aplysia californica hasi idegdúcának zacskósejtjei és a hasi idegdúc neuronjai közötti szabályozó kapcsolat - A peterakást közvetlenül és a leggyorsabban a zacskósejtekből kivont fehérje egyik bomlásterméke, egy mindössze 36 aminosavat tartalmazó peptid idézi elő. A peterakó hormonnak (PRH) elnevezett anyagnak többféle hatása is van. Egyrészt a keringésen keresztül eljut a petevezetékbe és ott összehúzódásra készteti a sima izomzatot, ami a petezsinór kitolásához szükséges, másrészt a hasi idegdúc egyik meghatározott neuronját, az R15-öt aktív transzmitter anyagként ingerli (E. Kandel és munkatársai, 1971)

kepek/072.jpg


Amikor tisztított peptiddel kezelték az állatok megfelelő idegdúcát azt tapasztalták, hogy azok a teljes akciónak csak néhány elemét aktiválták. Valószínűvé vált tehát, hogy a teljes akció lebonyolításához további transzmitter anyagokra, esetleg további peptidekre van szükség. Itt kapcsolódott a munkába R. H. Scheller és R. Axel vezetésével egy molekuláris-genetikusokból álló munkacsoport (Scheller és mtsai, 1982, 1983). Elhatározták, hogy megkeresik és izolálják azt a gént, amely az Aplysia genomjában a PRH-t kódolja. DNS-t izoláltak az Aplysiából, azt a szokásos módon különböző restrikciós enzimekkel sok ezer darabra szabdalták, majd a darabokat az E. coli baktérium lambda-fágjának mint vektornak a DNS-éhez kötötték. Az Aplysia genomdarabkáit tartalmazó fágokkal azután E. coli baktériumokat fertőztek. Ezeken a fágok sok millió példányban elszaporodtak, és így hamarosan rendelkezésre állt egy fágokba csomagolt Aplysia „génkönyvtár". Természetesen minden egyes genomdarabka külön-külön bármilyen mennyiségben elszaporítható a fágok segítségével. Szükség volt még azt a fehérjét kódoló messenger RNS-re is, amelynek a PRH eredetileg a része volt, mert ennek segítségével lehetett a „génkönyvtár” egyes köteteiben (a különböző genomdarabkákat hordozó fágtörzsekben) a nukleinsav-hibridizációs technika felhasználásával „lapozgatni".

A zacskósejtek igen nagy mennyiségben termelik a PRH-t, pontosabban a hormont tartalmazó anyafehérjét, ezekből sikerült a megfelelő mRNS-t előállítani. Az mRNS-hibridizáció alkalmazásával több fágtörzsről sikerült kimutatni, hogy bennük az Aplysia-genomnak éppen olyan darabja van, amely a PRH-anyafehérje strukturális génjét tartalmazza. Ezután a megfelelő fágokat elszaporították, izolálták a PRH gént, és meghatározták a nukleotidsorrendjét, amiből a PRH-anyafehérjének is kiszámítható a pontos aminosavsorrendje. A PRH 36 aminosavat tartalmazó szekvenciája az anyafehérje vége felé található, egy-egy pár lizin-argininnel határolva, amely bizonyos peptidázok számára hasítási szignál (73. ábra).

73. ábra - A PRH-gén és a géntermékek - Géntechnikai eljárásokkal sikerült azonosítani a PRH-gént és erről egy 271 aminosav hosszú poliproteint, „anyafehérjét” szintetizálni. Ezt a fehérjét a peptidázok tizenegyféle peptidre bontják, és ezekből csak az egyik a PRH, az anyafehérje vége felé található 36 aminosavat tartalmazó szekvencia. A többi peptid közül eddig hármat sikerült azonosítani. A béta-peptid szintén egy neurotranszmitter, amely az L1 és az R1 neuronokat képes aktiválni, de ezeknek a neuronoknak a pontos funkciója még nem ismert. Az alfa- peptid egy gátló transzmitter, gátolja az L2, L3, L4 és L6 neuronokat, valamint serkenti a zacskósejtekben az anyafehérje termelését. A harmadik egy savanyú peptid, amelynek célneuronja még nem ismert (Scheller és mtsai, 1982, 1983 nyomán)

kepek/073.jpg


Azt már korábban is tudni lehetett, hogy az anyafehérjéből peptidázokkal állítható elő a PRH. Kiderült azonban, hogy nem csak két hasítási szignál van, hanem összesen 10, azaz a peptidázok tizenegyféle peptidre bontják az anyafehérjét és ezekből csak az egyik a PRH. Természetesen azonnal keresni kezdték a többi peptidet is a zacskósejtekben. Igyekeztek felderíteni, hogy vajon előfordulnak-e ott, és van-e biológiai hatásuk? Eddig hármat sikerült azonosítani. A béta-peptid szintén egy neurotranszmitter, amely az L1 és az R1 neuronokat képes aktiválni, de ezeknek a neuronoknak a pontos funkciója még nem ismert. Az alfa-peptid egy gátló transzmitter, gátolja az L2, L3, L4 és L6 neuronokat, valamint serkenti a zacskósejtekben az anyafehérje termelését. A harmadik egy savanyú peptid, amelynek célneuronja még nem ismert.

A zacskósejtek által termelt anyafehérjét „poliproteinnek” nevezték el és feltételezik, hogy ez a fehérje felelős a teljes peterakási akció lebonyolításáért. Noha az egyes peptidek, célneuronok és a neuronok által ingerelt izmok pontos felderítése még nem teljes, aligha valószínű, hogy ez a felfedezés különösebb módosításra szorul majd. Nagyon izgalmas általános mechanizmusra lehet következtetni már az eddigi eredmények alapján is.

Az Aplysia hasi idegdúcát úgy képzelhetjük el, mint egy magatartási „gépzongorát", amely, mint a régi tekerős verkli, a megfelelő kód irányítására lejátszik egy dallamot. Ez a dallam a peterakási akciónak felel meg a magatartás szerveződési szintjén. A kód működése közben tehát meghatározott sorrendben tüzelni kezdenek a neuronok, és a „dallam” ütemére működésbe lépnek a neuronokhoz kapcsolódó izomszálak: az összehúzódás és az elernyedés útján elvégzik a megfelelő magatartási műveletet. A gépzongora kódja a poliprotein, amelyet a zacskósejtek termelnek. A poliprotein inaktív állapotban kerül a „gépzongora” billentyűihez, vagyis a megfelelő neuronokhoz, és ott a peptidázok szabadítják fel az aktív peptideket, ezek pedig működésbe hozzák az egész apparátust.

A továbbiakban egész sor kérdés merül fel. Vajon ugyanaz az ideghálózat hányféle dallamot képes játszani, vagyis léteznek-e további poliproteinek, amelyek a „gépzongorát” más célból is képesek működésbe hozni? Hol történik a poliproteinpeptid-neuronaktivitás mechanizmus szabályozása, időbeli összehangolása? Vannak- e olyan módosító tényezők, amelyek a rendszer működését a tapasztalat alapján megváltoztathatják, és mi ezeknek a molekuláris mechanizmusa?

A leglényegesebb kérdés az, hogy vajon a zseniális mechanizmus csak az Aplysiában vagy pedig a magasabbrendűekben is hasonlóképpen működik? Óriási munka lesz ezekre a kérdésekre válaszolni. Már régen tudjuk, hogy a magasabbrendűek agya is rengeteg ismeretlen funkciójú fehérjét és peptidet termel. A gerincesek agyában intenzívebb fehérjeszintézis folyik, mint a májukban! Tudjuk azt is, hogy az agyban sokféle transzmitter funkciót betöltő peptid működik. Lehet, hogy ezek a részismeretek rövidesen összeállnak egységes egésszé. Kiderülhet, hogy az agy egy óriási kémiai „gépzongora", amely a szervezet minden izmát, mirigyét összehangoltan képes működtetni. Lehet, hogy az agyban termelődő fehérjék jó része valamiféle poliprotein természetű kód a „gépzongora” számára. E fehérjék megfelelő hatásra széthasadnak és az aktív peptidek működésbe hozzák a „gépzongora” egy-egy részletét. Az aktivált neuronok tüzelésének „dallamára” pedig egy mozdulat vagy más működés jön létre. Ez ugyan fantasztikusan bonyolult mechanizmusnak látszik, de a mai ismereteink alapján reálisnak tűnik. Ha igazolni is sikerül, akkor hamarosan a magatartás-genetika is a molekuláris biológia részévé válik, és befejeződik az egzakt biológia kialakulása.