Ugrás a tartalomhoz

Állattan

dr. Bakonyi Gábor, dr. Juhász Lajos, dr. Kiss István, dr. Palotás Gábor

Mezőgazda Kiadó

Az egyedfejlődés szabályozása

Az egyedfejlődés szabályozása

A soksejtű állatok egyedfejlődése során egyetlen sejtből, a zigótából jön létre az egész szervezet, amelynek sejtjei ugyan összehangoltan működnek, de egyedileg igen eltérő feladatokat látnak el. A zigóta totipotens, azaz képes az egész szervezet kialakítására, ezzel szemben a kifejlett állat osztódó testi sejtjeinek döntő részéből csakis egy sejttípus differenciálódhat, tehát unipotens. Az embrionális fejlődés során az eredetileg totipotens sejt differenciálódóképessége fokozatosan beszűkül. A csíralemezek sejtjei multipotensek, belőlük már csak meghatározott szervtelepek, szervek alakulhatnak ki. Az így létrejött szervtelepek sejtjei még pluripotensek. Szinte valamennyi testi sejt (kivételt az immunrendszer sejtjei jelentenek) genetikai állománya rendelkezik a teljes szervezet kialakításához szükséges génekkel. Mivel azonban a gének egy része a differenciálódás során irreverzibilisen inaktiválódik, ezért a lehetőség nem használható ki.

Egyes állatoknál a testi sejtek totipotensek maradnak. Ha egy édesvízi hidrát sejtekre szedünk szét, akkor azok bármelyike az egész szervezetet létre tudja hozni (szomatikus embriogenezis).

A determináció a differenciálódási potencia beszűkülésének folyamata, ami azért jön létre, mert a differenciáció során egyes gének irreverzibilisen kikapcsolódnak. Az, hogy egy adott sejt a benne rejlő differenciálódási potenciának mely részét valósítja meg, attól függ, hogy génjei közül melyek vannak „bekapcsolt”, illetve „kikapcsolt” állapotban. Valamennyi sejtre jellemző az aktív és inaktív gének mintázata, amely az egyedfejlődés során megváltozik. Az elnyomott differenciálódási potencia egy része bizonyos sejtekben a regeneráció során a gátlás alól felszabadulhat. A zigóta totipotenciája azt jelenti, hogy genetikai állománya nincs véglegesen blokkolt állapotban. A fejlődés során azonban a sejtek génállományának egyre nagyobb része kerül véglegesen blokkolt állapotba, így a sejtek potenciája beszűkül. A teljesen differenciált sejtben a genetikai állomány döntő hányada nem fejtheti ki hatását. Az embrionális fejlődés során az embrió testének különböző helyein lévő sejtek génállománya egymástól eltérő működést mutat, ami a sejtek és szövetek differenciálódásához vezet.

Az egyedfejlődés szabályozásának pontos feltárása mind ez ideig a biológia megoldatlan problémái közé tartozik. A jelenleg folyó molekuláris szintű kísérletek azonban egyre több támpontot adnak a folyamat megértéséhez.

A klasszikus embriológiai vizsgálatok is rámutattak már arra, hogy a barázdálódás menetének, az embrió kifejlődésének irányításában a sejtmag hatásán kívül döntő jelentősége van a citoplazmának is.

A kétéltűek megtermékenyített petesejtjének membránhoz közeli plazmájában megfigyelhető szürke félhold területe a fejlődés további irányításában meghatározó szerepű. Determinálja a kifejlődő állat bilaterális szimmetriasíkját, és amennyiben az utódsejtekbe nem kerül e területnek egy-egy részlete, akkor ott a fejlődés nem következik be. A szürke félhold területén a citoplazmában olyan anyagok vannak, melyek a normális fejlődés feltételei. A néhány blasztomérából álló embrióban a sejtmagok teljesen azonos fejlődési potenciájú génállománnyal rendelkeznek, de a citoplazmájuk már nem egyforma. Az ovogenezis során kialakuló petesejt citoplazmájában kémiailag egymástól eltérő területek jönnek létre, amelyek az első néhány barázdálódás során egymástól is elkülönülhetnek. A citoplazmában található anyagok („anyai hatás”) determinálják, hogy a génkészlet mely részei juttathatják érvényre a hatásukat. Kísérletek rámutattak arra, hogy a sejtmagban található gének a fejlődés kezdetén túlnyomórészt inaktívak, csak a gasztruláció kezdetén vagy röviddel előtte válnak aktívvá. Ezt jelzi, hogy ilyenkor a mRNS mennyisége ugrásszerűen megemelkedik, új citoplazmatikus fehérjék szintézise indul be. Egy aktivált, de meg nem termékenyített petesejtből a sejtmagot eltávolítva az többé-kevésbé normálisan kezd osztódni. Ez azt jelenti, hogy a barázdálódó zigóta számára szükséges fehérjék, illetve hírvivő RNS-molekulák már a petesejtben szintetizálódtak. Ez az anyai hatás magyarázata. A további fejlődés azonban leáll a gasztruláció kezdetén, amikor az újabb genetikai információkra már szükség van. Közvetlenül a megtermékenyítést követően, a sejtmagfúzió előtt a női előmagot eltávolítva a zigóta a blastula állapotig normálisan fejlődik. A gasztruláció végbemenetele azonban attól függ, hogy a spermium haploid génkészlete mennyire kompatibilis a petesejt citoplazmájával. Ha a megtermékenyítés ugyanazon faj hímjének spermiumával történt, akkor haploid, de normális utód alakul ki. Közel rokon faj spermiumával történt megtermékenyítésnél a fejlődés a neurula stádiumig is eljut, de ott leáll. Távoli rokon spermiumával megtermékenyítve a fejlődés már a blasztula állapotban vagy a gasztruláció kezdetén leáll. Ezek a különbségek az immunológiai inkompatibilitás különböző mértékével magyarázhatóak. Ez akkor jelentkezik, amikor a spermiumból származó gének az embrió fehérjéit kezdik kódolni. Minél távolabbi a rokonság, az inkompatibilitás annál nagyobb, a fejlődés annál korábbi állapotokban áll le.

Az anyai hatást a közönséges muslicával (Drosophila melanogaster) folytatott kísérletek is igazolták. Ha petéjének hátulsó végéből egy kevés citoplazmát eltávolítottak, akkor a fejlődő embriónak nem alakultak ki a potrohszelvényei. Ha az eltávolított citoplazma helyére egy másik pete elülső csúcsából juttattak be plazmát, akkor az embrió mindkét testvégén fej alakult ki. Ennek magyarázata a petesejt citoplazmájában lévő hírvivő RNS-molekulák hatásában és elhelyezkedésében keresendő.

Az oogenezis során a petesejt DNS-állományának meghatározott szakaszain képződött mRNS-ek a citoplazmában, specifikus helyeken a sejtvázhoz kapcsoltan kötődnek. Ezért a barázdálódás során meghatározott sejtekbe kerülnek, ahol az általuk irányítottan létrehozott fehérjék mint morfogének (morphogen) egyes géneket bekapcsolnak, míg másokat működésükben gátolnak. A citoplazmában található anyagok (speciális anyai hírvivő RNS-ek) tehát meghatározzák az embrió polaritását, az egyes sejtek differenciálódási képességét.

Az egyedfejlődés korai szakaszában, a gasztrulációs folyamat szabályozását például a kétéltűekben az ősszáj dorzális ajkának bizonyos sejtcsoportja, mint elsődleges organizátor centrum látja el. Kialakulását tekintve visszavezethető a megtermékenyített, de még nem barázdálódott békapetén megfigyelhető szürke félhold területére. Ezeket a sejteket átültetve más, a gasztruláció kezdetén álló embrió külső sejtrétegébe, azok ott gasztrulációs folyamatot indítanak el, másodlagos embrió kialakulásához vezetnek. Ha azonban a befogadó (recipiens) embrió már túljutott e fejlődési szakaszon, az átültetett sejtek nem tudják kifejteni hatásukat. Nemcsak a kétéltűekben, hanem számos más állatcsoportban is kimutattak különböző organizációs központokat. A korongos barázdálódást mutató állatok és az emlősök esetében az őscsomó és a fejnyúlvány, míg az ízeltlábúakban a mikropyle közelében lévő sejtek funkcionálnak elsődleges organizációs centrumként. Az eddigi vizsgálatok alapján úgy tűnik, hogy az organizátor centrum sejtjei kémiai anyagaik révén nem közvetlenül szabályozzák a differenciálódást, hanem speciális környezeti feltételeket teremtve a környező sejtekben lévő képességet engedik érvényre jutni. Ezek a genetikai képességet felszabadító vegyületek vagy sejtről sejtre terjedve, vagy a sejt közötti térben szétáramolva fejtik ki hatásukat. Általában egy már differenciálódott szövet mint induktor hat a körülötte lévő még nem differenciálódott sejtekre, szövetekre. Így egyre szűkebb hatáskörű másodlagos, harmadlagos és további centrumok jönnek létre. Az idő- és a helytényező nagyon fontos. Ez azt jelenti, hogy bizonyos gének csak egyes szövetekben és a fejlődésnek csak meghatározott szakaszában képesek érvényre juttatni képességeiket. Ha egy elsődleges induktor kivált egy differenciálódási folyamatot egy szövetben, akkor azt számos másodlagos indukció követi. A fejlődés folyamatát azonban nemcsak az induktorok határozzák meg, hanem fontos szerepe van a sejtmozgásoknak, a sejtek adhéziós tulajdonsága megváltozásának és a sejtek osztódási képességének. A sejtek a sejthártya jelzőmolekulái révén képesek egymást felismerni, így ha az elrendeződésükben valamilyen oknál fogva zavar támadna, képesek egymást megkeresve újra összekapcsolódni. A sejtek felismerik az embrió testén belüli helyzetüket is. Egy adott testrészt vagy szervet alkotó, különböző sejtek által leadott vegyületek, morfogének segítenek behatárolni egy adott sejttípus térbeli helyzetét. Ez a helyzetfelismerés az egyedfejlődés során egyre pontosabb, kisebb területekre vonatkozik. Kimutatták, hogy közvetlenül a megtermékenyítést követően a petesejt plazmájában hirtelen megnő a fehérjeszintézis intenzitása, annak ellenére, hogy a mRNS-képzés csak a diploid zigóta kialakulását követően, később kezdődik meg. A petesejt plazmájában még a megtermékenyítést megelőzően felhalmozódnak bizonyos mRNS-molekulák, melyek az állatcsoporttól függően az első néhány sejtes állapot kialakulása alatt irányító szerepet játszanak. Eloszlásuk a zigóta citoplazmájában nem egyenletes, hatásuk befolyásolja a létrejövő blasztomérák képességeit, megszabják az embrió polaritását.

Rovarok egyedfejlődésének vizsgálata során megfigyelték, hogy az alapvető polaritás kialakulását követően a szegmentációért felelős gének kezdik kifejteni hatásukat. A kétszárnyúak körében több mint húsz ilyen gént azonosítottak. Az egyes szelvények felépítését, különbségeiket a homeotikus gének szabályozzák. A homeotikus gének további végrehajtó gének működését indítják be.

Homeotikus géneket a gyűrűférgektől a gerincesekig számos állatcsoportban sikerült már kimutatni. Ezeknek a géneknek egyes szakaszai (úgynevezett homeobox) felépítésüket tekintve nagyfokú hasonlóságot mutatnak. A homeoboxok által irányított aminosav-sorrend az evolúció során meglepően jól megőrizte eredeti jellemzőit. A homeoboxokat megtalálták nemcsak a zigóta első néhány osztódását szabályozó, még a petesejtben működő, de a szegmentációért felelős génekben is. Úgy tűnik, hogy a homeoboxok az általuk irányítottan előállított fehérjék révén az embrionális fejlődés kapcsolói, melyek ellenőrzik a különböző génekről történő átírást. A regulációs proteinek lehetnek aktiváló és gátló hatásúak, amelyek a DNS adott génjéhez kapcsolódhatnak. A homeobox gének a gerinctelen és gerinces állatok kromoszómáiban egyaránt géncsoportokba tömörülnek. A kromoszóma e szakaszán a homeoboxok szigorúan meghatározott sorrendben következnek egymás után. A homeobox gének ugyanolyan sorrendben rendeződnek el a DNS-szálon, mint ahogyan a kialakítandó szervezet fej-farok tengelye mentén hatásuk megjelenik. Aktiválódásuk időbeli sorrendje is megegyezik a DNS-szálon elfoglalt helyzetükkel.

Az egyedfejlődési események időzítésének szabályozása a különböző állatcsoportokban eltéréseket mutat. Egyik végletként a sejtszám-konstanciával jellemezhető fonálférgek említhetőek. Náluk a sejtek sorsa már a legelső osztódást követően szigorúan meghatározott, állandó sejtvonalakon alapul. A másik véglet az, ha az egyedfejlődés kezdetén létrejövő sejtek sorsát az embrió testében elfoglalt helyzetük szabja meg, fejlődési potenciájuk csak jóval később szűkül be. A legtöbb állatfaj e két véglet között helyezkedik el. A közönséges muslica esetében például a hólyagcsíra állapot kialakulásáig az egyes sejtek megváltoztathatják helyzetüket, sejtmagjaik ekkor még igen nagyfokú fejlődési potenciával bírnak.