Előfizetés a lapra

A medveállatkák szupererői

fehérje, genetika, medveállatka, molekuláris biológia, Tardigrada

2017/01/05

A parányi, hernyó és medve fura keresztezésének tűnő állat egyedülálló képességekkel rendelkezik. A modern genetika eszköztárával pedig e képességek emberbe való átültetése ma már egyáltalán nem tartozik a fikció tárgykörébe.

A természet legkülönösebb alkotásai rendszerint nehezen felfedezhetők az átlagember számára, akár azért, mert megközelíthetetlen helyeken vannak elrejtve, akár azért, mert szabad szemmel nem vagy csak nagyon nehezen láthatók. Holott ha tüzetesebben szemügyre vesszük környezetünket, olyan titkokra derülhet fény, amelyeknek a létezésén eddig el sem gondolkodtunk. A medveállatkák (Tardigrada) az állatvilág egy ilyen, eldugott csoportja. Bár a természettudománnyal foglalkozók körében nagy népszerűségnek örvendenek, a legtöbb ember számára mégsem ismertek, hiszen szabad szemmel alig láthatók és a mindennapi élet szempontjából semmi jelentőségük nincs – gondoltuk eddig.

Féreglábakon

A medveállatkák nem mindennapi megjelenését tanulmányozva egyre többet tudunk a kutatók jóvoltából e parányok titkos életéről. Legfeljebb másfél milliméteresre nőnek meg, de inkább a mikrométeres tartományban érdemes keresni őket. A testük valóban emlékeztet egy barnamedvére, bár 8 lába van. A medveállatkák „lába” nem valódi végtag, hiszen közeli rokon csoportjukhoz, a karmos féreglábúakhoz (Onychophora) hasonlóan bőr­izom­tömlő segítségével mozognak, így tehát ebben az esetben is a féregláb (archipodium) elnevezés a helytálló. A féreglábak karmokban vagy szívókorongokban végződnek. A testük négy szelvényből áll, mindegyikhez egy pár féregláb tartozik.

 Elenktronmikroszkópos felvétel a Ramazottius varieornatus-ról aktív állapotban (balra) és kriptobiózisban (jobbra)

  A kültakaró betűrődésével keletkező légcsövekkel (tracheákkal) lélegeznek, melyeknek minden szelvényen több nyílásuk is van a külvilág felé. Teljes, háromszakaszos tápcsatornájuk van. Keringési rendszerük nyílt; ez azt jelenti, hogy tápanyagszállító folyadékuk, a hemolimfa nem erekben kering, hanem a testüregben diffúzan áramlik. A szív feladata pedig mindössze ennek az áramlásnak a hajtása. Szelvényenként ismétlődő, apró ki­vá­lasz­tó­szer­veik vannak, melyek a külvilágba juttatják a testüregből kiszűrt káros anyagokat. Az idegrendszerük is meglehetősen egyszerű: egy feji idegdúccal rendelkeznek, ezt tekinthetjük „agy”-nak. Innen pedig két hosszanti idegtörzs indul a testük vége felé, amelyet harántirányban összeköt egy laza ideghálózat.

Sajátos téli álom

Önálló törzsként különítik el őket, a karmos féreglábúakon túl valószínűleg az ízeltlábúak közeli rokonai is, velük együtt a vedlő állatok (Ecdysozoa) kládjába tartoznak. Eddig mintegy 900 medveállatkafaj ismert, amelyek a legkülönbözőbb élettereket foglalják el: tengervízben, édesvízben, barlangoktól a magashegységekig mindenhol megtalálhatók. Fontos azonban, hogy csak vizes környezetben aktívak, legalább filmrétegnyi vízre van szükségük életműködéseik ellátásához. Ennek hiányában inaktív állapotba: kriptobiózisba kerülnek, melynek során tulajdonképpen felfüggesztik az anyagcserét. Ezt hasonlíthatnánk akár a medvék téli álmához is, csakhogy a medveállatkák ezt az állapotot képesek akármeddig fenntartani: még csak nem is öregszenek alatta. Aktív állapotban viszont gyorsan szaporodnak. A legtöbb fajnak hím és nőstény egyedei is vannak, némelyiknek azonban csak nőstényei léteznek, amelyekre a szűznemzés jellemző. Nincsenek lárvaalakjaik, közvetlenül fejlődnek.

A foszforilált hisztonos kísérlet. Baloldalt a kontroll sejtek, jobboldalt a Dsup-ot kifejező sejtek. A zöld, illetve az alsó sorban a fekete pöttyök jelölik a foszforilált H2AX hisztont.

A legtöbb medveállatka növényi sejtek anyagával táplálkozik: a szárazföldi fajok például kedvelik a mohapárnákat, ahol nagy mennyiségű élelemhez és vízhez juthatnak. A növényevőkön kívül azonban ragadozó fajokat is megfigyeltek, melyek fonalférgekre, kerekesférgekre vadásznak, de előfordul, hogy a náluk kisebb medveállatkákat is megtámadják.

 Legkülönlegesebb tulajdonságuk azonban – amellyel nemrégiben a kutatók figyelmét is felkeltették – a rendkívüli ellenálló képességük. Miként már említettük, vízhiányos állapotban kriptobiózisba kerülnek. Ebben az állapotban egyes fajok extrém hőmérsékletet is képesek elviselni, 100 Celsius-foktól egészen a 0 Kelvinig, vagyis mínusz 273 Celsius-fokig, kibírják a 7,5 GPa-os (!) nyomást, túlélik, ha szerves oldószerbe (például benzinbe) kerülnek, a világűrben is képesek életben maradni, és a szélsőséges radioaktív sugárzás sem tesz nagy kárt bennük. Ezek a képességek döbbenetesek ugyan, de ahogy az életben mindennek, ezeknek a hátterében is biokémiai, molekuláris mechanizmusok állnak, melyek csak arra várnak, hogy feltárják őket.

 A Tokiói Egyetem kutatói éppen ezt a célt tűzték ki. Az egyik legellenállóbb medveállatkafajt, a Ramazzottius varieor­na­­tus-t kezdték el vizsgálni és megpróbáltak rájönni, milyen fehérjék megléte vagy hiánya állhat különleges képességei hátterében, és azok honnan erednek.

 Először azt feltételezték, hogy a legtöbb ilyen fehérjét kódoló gént horizontális géntranszferrel szerezhették meg. Ez utóbbi egy olyan, leginkább egysejtűekre jellemző mechanizmusa az új gének genomba kerülésének, mely eltér a szülőktől való örökléstől, a „vertikális” géntranszfertől. A Ramazottius varieornatus genomjának szek­ve­ná­lá­sa után azonban kiderítették bio­in­for­ma­ti­kai módszerekkel, hogy viszonylag kevés génjét szerezte ilyen módon. Valószínűbb, hogy a Tardigrada állatcsoportba tartozó fajok törzsfejlődésében bekövetkező génduplikációk és mutációk vezettek a különleges fehérjék megjelenéséhez, illetve számuk növekedéséhez.

A medveállatka karmos lába

A medveállatkák esetében kiugróan nagy számban találtak olyan géneket, melyek a sejtek integritásának valamilyen módon történő megőrzésére szolgáló fehérjéket kódolnak. Így például a többi állathoz képest jóval népesebb a genomjukban a szuperoxid-dizmutázokat kódoló gének családja, melyek feladata a veszélyes szuperoxid-gyökök méregtelenítése, semlegesítése, valamint az MRE11-gének családja, melyek a DNS kettősszálú töréseit hivatottak javítani. Nagy abun-danciával (azaz fölöslegben) fejeződnek ki olyan fehérjék is, melyek feladata a többi biomolekula védelme a kripto-biózisba való belépéskor és az azt kísérő vízvesztés közben.

 Ezen túlmenően úgy tűnik, evolúciójuk során a medveállatkák egyszerűen „kidobáltak”, elvesztettek olyan géneket, melyek egyes stresszválasz-útvonalakban fontosak, ezért ezekre a stresszfajtákra gyakorlatilag nem érzékenyek.

A mindentudó Dsup

A felsorolt különleges biokémiai és genetikai adaptációk mind-mind jelentős szerepet kapnak a Ramazottius varieornatus extrém túlélőképességében. A medveállatka „fegyvertárának” legérdekesebb eleme azonban minden bizonnyal a kutatók által újonnan felfedezett fehérje, a radioaktív sugárzás ellen védő Dsup (Damage-supressor, ’károsodás-csökkentő’). A Dsup képes kötődni a sejtmagban lévő DNS-hez, valószínűleg elektrosztatikus kölcsönhatások segítségével.

 A feltételezés az volt, hogy a DNS–Dsup asszociáció segít megvédeni a DNS-t a radioaktív stressztől. Ennek vizsgálatához mesterségesen fenntartott emberi sejtvonalban fejeztették ki a fehérjét, amely ebben az esetben is a DNS-t alkotó kromatin-állomány közelében helyezkedett el. Ezután röntgensugarakkal „bombázták” a sejteket. Az intenzív sugárzás darabokra töri a DNS-t, a kisebb részek pedig eltávolodnak egymástól a gélelektroforézis során. A messzebbre vándorolt DNS mennyisége arányos lesz a DNS-ben bekövetkező törések számával, vagyis tulajdonképpen a sugárzás okozta kárral. A Dsup-ot kifejező sejtekben feleannyi ilyen kisebb DNS-darabka keletkezett, mint a kontroll, azaz Dsup nélküli sejtekben, a fehérje tehát valószínűleg a DNS-törések helyreállításán vagy megakadályozásán keresztül véd a sugárzástól.

 Egy másik, ugyancsak DNS-törések vizsgálatán alapuló módszert is bevetettek a kutatók. A H2AX-jelű DNS-kötő hisztonfehérje fosz­fo­ri­lá­ló­dik, ha sugárzás hatására eltörik a kettős DNS-szál. A foszforilált H2AX hiszton mennyiségéből tehát a DNS-törések számára lehet következtetni. A foszforilált H2AX-et immuncitokémiával láthatóvá tették, majd megvizsgálták a mennyiségét a besugárzott kontroll és a Dsup-transzgént tartalmazó sejtekben egyaránt. Ahogy várták, a Dsup-tartalmú sejtekben több mint 40 százalékkal kevesebb foszforilált hisztont – és így DNS-törést – találtak.

 A szuperoxid-dizmutáz szalagmodellje

Élethosszvizsgálatoknak is alávetették a Dsup-transzgént tartalmazó emberi sejteket: az idő előrehaladtával egyre több kontroll sejt puszult el, a Dsup-ot kifejező sejtek azonban jóval nagyobb számban maradtak nemcsak életben, hanem osz­tó­dó­ké­pe­sek is voltak.

Sugárveszély ellen

A japán kutatók kísérletei egyrészt azért jelentősek, mert korábban valójában nem volt átfogó genetikai analízis a medveállatkafajokról. A mostani, teljes genomszekvencia a jövőben viszonyítási alapként szolgálhat további Tardigrada-kí­sér­le­tek­hez, amelyek minden bizonnyal lesznek, hiszen bizonyosságot nyert, hogy rendkívüli képességeik nem pusztán megismerhetők, hanem a mögöttük álló molekuláris gépezet az ember által is hasznosítható.

 A Dsup-transzgén például védelmet nyújthatna magas sugárzásveszélynek kitett munkakörnyezetben dolgozóknak vagy segítségül szolgálhat az onkológiai klinikákon sugárterápiával kezelt rákos betegeknek. Növelhetjük majd ellenálló képességünket a veszélyes oxidatív gyökökkel szemben, és antioxidáns-szedés helyett medveállatka-transzgént fogunk alkalmazni. Ennél persze, még merészebb víziókat is alkothatunk: lehetséges, hogy ha egyszer majd az emberiség különösen ellenséges környezetben – például egy idegen bolygón – szeretne megfelelő életkörülményeket teremteni és élelmet létrehozni, akkor szintén medveállatka-transzgénnel felszerelt növényeket fog termeszteni.

 Úgy tűnik tehát, hogy a medveállatka-genom egy igazi kincsesbányája a különleges képességeknek. Az is bizonyos, hogy ez csak a kezdet volt: számtalan új, meghökkentőbbnél meghökkentőbb felfedezés következhet a jövőben.

 Szintén bizonyítást nyert, hogy a génterápiai eszközök sokkal szélesebb körben alkalmazhatók, mint ahogyan azt korábban gondoltuk. Nemcsak meglévő betegségeink kezelésére, hanem betegségek elleni rezisztencia kialakítására is alkalmazhatjuk némelyiket. Az orvostudomány tehát most már semmiképp sem zárkózhat el előlük, hiszen napról napra egyre többször győznek meg minket arról a legkülönfélébb kutatási eredmények, hogy alkalmazásukban tengernyi lehetőség rejlik.

 Ahogy láthattuk, a jövőben rendkívül fontossá fog válni a különböző élő szervezetek genetikai és biokémiai eszköztárának beható ismerete, hiszen ki tudja, milyen élőlényben akadunk rá legközelebb olyan fehérjére, amelyet alkalmazni tudunk majd. A medveállatkák ilyen szempontból telitalálatnak tekinthetők: „szupererőik” amellett, hogy csodálatra méltók, az emberiség hasznára is válhatnak.

 BENKŐ PÉTER

 

2016/45