A neandervölgyi ember genomjának kutatása (A fejezet összeállításában extenzíven felhasználtuk Dr. Putnoky Péter előadásának anyagát)
Fajunk, a Homo sapiens nagyon fiatalnak számít. Az elfogadott nézetek szerint közvetlen őseink körülbelül 200.000 évvel ezelőtt indultak diadalútjukra Kelet-Afrikából. Ez alatt az evolúciós időskálán szempillantásnyi idő alatt népesítette be fajunk a Földet és érte el páratlan sikereit, amelyek legalábbis jelentős részben már a modern embereket megelőzően is jelen lévő komplex biológiai sajátságokra vezethetők vissza: a nagy agyméret, a kétlábra emelkedés, a koponya és végtagok módosulásai biztosan elősegítették sikerességünket.A csimpánzgenom kutatása alapján őseink elválása kb. 4,5-6 millió éve történhetett, ez jórészt tükröződik DNS-ünk különbségeiben. A molekuláris és számítógépes analízis kimutatja, a genom mely változásai jöttek létre szelekciós nyomásra, ill.mely genomegységek evolúciója volt rendkívül gyors (lásd később).A csimpánztól való elválásunk 4,5- 6 millió évéből azonban csak legfeljebb néhány százezer év telt el, mióta a "modern ember" elvált a többi vonaltól, és a mai értelemben elvontan gondolkodó, beszélő, átütő manualitású lénnyé vált. Mi az, ami ide vezetett? Mik azok a változások, amik Homo sapienssé tesznek bennünket, nem pusztán "emberfélévé". A kérdések megválaszolásához kulcsjelentőségű a Homo neanderthalensis, a neandervölgyi ember tanulmányozása.(Az igazsághoz hozzátartozik, hogy sokan vitatják a Homo neanderthalensis faj rendszertani státusát, de mondanivalónk lényegét ez a vita (talán) nem érinti)
2.3. ábra - Mai ember, és egy modern, genetikai adatok felhasználásával készült rekonstrukció egy európai neandervölgyi gyermekről
.
A neandervölgyi ember kulcsponti jelentőséggel bír, több féle oknál fogva: ez a faj a legutóbb kipusztult rokonunk, ráadásul eltűnésének ideje olyan közeli (kevesebb, mint 30000 éve történt), hogy DNS-e megmaradhatott, radásul kb. 50.000 évet a Közelkeleten, 6000 évet Európában együtt élt a modern emberrel, így viszonyuknak az is fokmérője lehet, hogy mennyire volt géncsere a két faj között.
A neandervölgyi emberrel kapcsolatos ismereteink egészen a legközelebbi múltig az ösmaradványokból (csontokból, tárgyaikból, feltárt lakhelyük vizsgálatából) eredtek. A "tipikus" neandervölgyi ember 400.000 éve jelent meg, 30. 000 évvel ezelőtti eltűnéséig számos formája kialakult. Fénykorában elterjedt volt Európában, Kelet-Ázsiában egészen le Dél-Szibériáig, és a Közel-keleten, ahol már 80.000 éve találkoztak először az Afrikából kivándorló "modernekkel". Új perspektívát nyitott a kutatásokban a molekuláris genetikai megközelítés, amely eleinte a mitokondriális genom, majd a legmodernebb módszereket felhasználva a teljes genom mind nagyobb részének analízisét tűzte ki célul. Mind a mitokondriális, mind a teljes genom analízis arra mutat, hogy az elválás a neandervolgyi-, és modern ember vonalai között 3-700.000 évvel ezelőtt történt Afrikában, majd (kissé leegyszerűsítve)a neandervölgyihez vezető vonal Európába jutott, a modern ember vonala pedig Afrikában fejlődött tovább. Az Európában kb. 40.000 éve feltűnő modern emberek már "mindent tudnak" ami ránk jellemző (az elme forradalma a jelek szerint már legalább72.000 éve lejátszódott, Afrikában már ekkorról vannak barlangfestmények, egyedi tárgyak és díszek), a neandervölgyiek párhuzamosan fejlődtek Európában, művészetük a jelek szerint volt, hogy beszéltek-e, máig vitatott.
A neandervölgyi-modern emberi-csimpánz genom összevetésével tehát sok,(legalábbis filozófiai szempontból) égetően fontos kérdésre kaphatunk választ: Mi változott genomunkban, mióta elváltunk a főemlősöktől? Mi változott genomunkban, mióta elváltunk neandervölgyi testvéreinktől?Konkrétan mely géneknek tulajdoníthatunk jelentőséget bizonyos sajátságaink kialakulásában?
Meghaladja jegyzetünk kereteit, hogy részletezzük azt a félelmetes szellemi és technikai arzenált, amit bevetettek a neandervölgyi ember genomjának rekonstruálására, referenciagenomjának előállítására.Itt csak megemlékezünk néhány nehézségről, amikkel a genomi DNS előállításakor és elemzésekor találkoztak, és felsorolunk néhány módszert, amelyekkel operálva eredményeiket elérték. A kutatások fő zászlóvivője a lipcsei Pääbo-féle laboratórium, de látványos eredményeket értek el több vezető amerikai laboratóriumban (a Yale és a Harvard Egyetemen) is.
Komoly problémát jelent, hogy
-
a DNS régi és degradált
-
sokszor a bázisok maguk is módosultak
szinte csak 50-100 bp-os fragmentek vannak jelen az eredeti genombol
-
a mintákból előállított DNS több, mint 90%-a mikrobiális eredetű
-
az emberi DNS-fertőzés kiszűrése lényegi kérdés
nem tudjuk, mennyire polimorf a neandervölgyi genom a faj szintjén
ÉS AMI NEM TECHNIKAI HANEM LÉNYEGI PROBLÉMA: A NEANDERVÖLGYI GENOM KB. 99,5%-BAN MEGEGYEZIK A MIENKKEL
Metagenomikai analízis
A metagenomikai módszerek kifejlesztése nagyot lendített a neandervölgyiek genomi analízisén. A módszerek lényege, hogy bonyolult DNS keverékek elemzése is lehetővé vált úgy, hogy nagy teljesítményű ("high throughput") DNS-szekvenáló módszerekkel minden jelenlévő fragmentum bázissorrendjét megállapítják, majd összevetik ismert genomokkal.
Eredmények és következtetések
Fontos szólnunk a kutatások mögött álló elvekről, vállalva a túlegyszerűsítés ódiumát, kereteinket sajnos meghaladja, hogy a gondosság és kifinomultan átgondolt kísérleti sémákat részletezzük.
A megfontolások "nulladik pontja" feltétlenül az volt, hogy bármely fajról legyen szó, az ilyen jellegű vizsgálatoknál mindig több független egyed genomját elemezték, hiszen a fajon belüli változatosság csak így értelmezhető. Az egyedek kiválasztása is az idő-és térbeliség figyelembevételével történt.Ettől elválaszthatatlan, hogy csakis több egyed alapján értelmezhető az "ősi" allél vagy szekvenciaváltozat (cisz-regulátor elemek esetében). Az abszolut referencia a csimpánz, vagy a csimpánzzal való közös ősünk rekonstruált genomja volt.Fontos előzetes eredmény az is, hogy két neandervölgyi genom mindig kevésbé tér el, mint egy neandervölgyi és egy sapiens genom.
Az első lépés azon gének kiválasztása volt, amelyeknek aminosav sorrendje eltér a két faj között. Ilyen gént keveset találtak (van köztük spermium axonéma fehérje gén, cadherint, extracelluláris mátrix fehérjét, az rRNS géneket átíró RNS-polimeráz láncterminációját elősegítő gén)
A szelekció alatt álló gének, szekvenciák kiválasztása két szemponton alapul: a főemlősök (makákó, orangután, de mindenek előtt a csimpánz) genomjára jellemző allél(ok) jelenléte, ill. az adott szekvencia egységessége, annak környezetének egységessége. Ha egy "új", szelekciós előnyben lévő gén-, vagy szekvenciaváltozat van jelen legalábbis túlnyomó többségben a Homo sapiens genomokban, és a környezetében is genomszinten változatosak a polimorfizmusok(a polimorfizmusok ezesetben SNP=single nucleotide polymorphism kategóriába esnek), míg a neandervölgyiekben az "ősi" forma, vagy több változat összemérhető gyakorisággal, akkor a sapienseknél a génre vagy régióra szelekció hat.
A nagy szelekciós nyomás alatt álló régiók kiválasztásánál a következő logika mentén haladtak: kiválasztottak olyan régiókat, ahol a vizsgált Homo sapiens genomok (han kínai, francia, joruba, szan) különböztek, majd összerakták a konszenzus szekvenciát, amely a várt esetben eltért a neandervölgyi szekvenciától, MERT AZ ELVÁLÁS UTÁN ALAKULT KI. Ha egy kritikus génnek is származtatott allélja volt jelen a régióban, az erős kandidátussá vált arra, hogy szelekciója kimondottan a sapiens kialakulásához köthető.
2.4. ábra - A neandervölgyi és mai emberben a bizonyos polimorfizmusok jelenléte akár teljesen megegyezhet.A. A kékkel jelzett polimorfizmus a mai ember és a neandervölgyi közös ősében egyaránt jelen volt, így elterjedt mindkét fajban. B.Az új mutáció az elválást követően jelent meg, így csakis a modern emberben van jelen, a másik változatot a szelekció "kiseperte" (bal oldali első kép: neandervölgyi ember,a jobb oldalon modern emberek: franciák, han kínaiak, pápuák, jorubák és szanok, alul: Homo erectus )
A neandervölgyi ember anyagcseréje, energiaháztartása biztosan eltért a mienktől. Különbség mutatközik pl. a THADA gén kapcsán. A neandervölgyinél a gén szabályoző szakasza a konzervatív szekvenciát tartalmazza. Egy génközeli konzervatív régióban minden vizsgált emlősben, köztük a neandervölgyi emberben is konzervatív szekvencia van, csak a sapiensben van egy 9 bázisos deléció)A THADA gén kifejeződési szintje kapcsolódik a II típusú diabeteshez, egy kozeli SNP jelenléte kritikus.)
Kiemeljük még, hogy bizonyos, a kognitív rendellenességek segítségével azonosított, a kognitív képességeket valószínűleg befolyásoló géneknél találták intenzív szelekció jegyeit a mai embernél. A DYRK1A a Down.szindróma kritikus kromoszómarégiójával, a Down-szindrómások mentális tüneteivel lehet kapcsolatban.Az NRG3 a skizofréniával, a CADPS2 és AUTS2 pedig az autizmussal. Valamennyi gén kifejeződése fontos a kognitív, kommunikációs és szociális aktivitásban.
.Fontos, hogy a testszínt befolyásoló melanocortin receptor 1 (MCR1R) génjének olyan változatát is megtalálták a neandervölgyieknél, amely csökkenti a pigmentációt, ami azt jelzi, hogy bőrük színe különböző lehetett.
Ami különösen érdekes, a koponya morfológiáját fajunkban kórosan befolyásoló génváltozat is jelen volt náluk a RUNX2 gén esetén. A gén mutáns allélja cleidocraniális dysplasia nevű tüneteggyütteshez vezet, melynek jellemzői: a koponyavarratok kései záródása, arckoponya dominanciája, előreugróhomlokcsont, a kulccsontok rendellenes alakja, a harangszerű mellkas.A RUNX2 gén evolúciója így döntően befolyásolhatta "derék feletti" fejlődésünket. Megjegyezzük, hogy a gén alléljai kutyáin fejformáját is döntően befolyásolták.(3. fejezet).
A neandervölgyi genom elemzése elősegíti annak elemzését is, hogy mely gének funkciójának KIESÉSE, esetleg mely gének duplikációja vagy többszöröződése lehet fontos a modern ember kialakulásában, azaz ha egy gén aktív formája van jelen a neandervölgyiekben, és inaktív formája bennünk, az adaptív lehet.
Értékes adat az is, hogy mi az, AMI MÁR MEGVÁLTOZOTT A NEANDERVÖLGYI EMBERBEN AZ EMBER EVOLÚCIÓJÁNAK FŐEMLŐS SZAKASZA ÓTA.A beszéd és nyelvtan kialakulásában a csimpánzzal közös óta gyors evolúción átesett FOXP2 gén a jelek szerint ugyanazokkal az aminósav változásokkal volt jelen a neandervölgyiekben, mint bennünk. Biztosan voltak 0 vércsoportúak, és ízérzékelésük is hasonlított a mienkhez az ízreceptor génjeik alapján.
Több helyen hivatkozunk jegyzetünkben a cisz-regulátor elemek fontosságára az evolúcióban. (CNS=conserved noncoding sequences). Promóterekben és enhenszerekben számos olyan különbséget azonosítottak, amelyek számottevő különbséget okozhatnak a génkifejeződésben, sok esetben az idegrendszerben aktív gének esetében a modern ember génjei aktívabbak a változások révén.A regulátor RNS-ek közül is többnek a szabályozó szakaszai jelentős többletaktivitást eredményeznek az emberi embrió agyában. Bizonyos elemek "villámevolúciót "mutatnak a csimpánztól való elválásunk óta, kérdés, hogy a HAR2 (Human Accelerated Region) elem 16 változása közül mennyi következett be az utolsó 200.000 évben?
Szépen gyümölcsözött a jó mintaválasztás akkor is, amikor a két faj, a Homo sapiens és a Homo neanderthalensis közötti génáramlást vizsgálták. A két faj hosszú időt töltött el együtt a világ több részén, és mindig is izgalamas kérdés volt, hogy vajon keveredtek-e? A mitokondriális genomok alapján a kutatók inkább a NEM felé hajlottak, de miután a mitokondriumok csakis anyai öröklődésűek, genomjuk analízise nem volt perdöntő ebből a szempontból. Az ilyen irányú vizsgálatoknál perdöntőnek bizonyult, hogy, nagyonis megalapozottan, feltételezték hogy az Afrikán kívüli területeken, ahol a két faj együtt fordult elő, a genomokban több jelének kell lennie a keveredésnek. Miután az ázsiai, európai genomok ténylegesen jobban mutatták a keveredés jegyeit, sőt, a kelek-ázsiaiak kb. hasonló mérvű génáramlást tükröztek, mint az európaiak, így feltehető, hogy a keveredés még azelőtt történt, hogy a modern ember intenzíven kirajzott Kelet-Ázsia irányába. A géncsere maximális mértékét 4%-osra becsülik.
2.5. ábra - Génáramlás a neandervölgyi ember és a modern ember között. Az adatok szerint az afrikaiakkal a neandervölgyiek nem keveredtek.(középen oldalt: neandervölgyi ember,felül modern emberek: franciák, han kínaiak, pápuák, jorubák és szanok, alul: Homo erectus)
 |
.