A zebradániók karrierje: A génektől a viselkedésig

ImageAz akvaristák jól ismerik ezt a kis termetű, alig 3-4 centiméteres halat. Egy időben igen népszerű volt, s bár sokan tartják ma is, mondhatni "kiment a divatból". Ám számos laboratóriumban az utóbbi években igencsak megkedvelték, és manapság évente sok millió dollárt költenek a rájuk alapozott kutatásokra.

Vajon miért támadt fel hirtelen a biológusokban az érdeklődés e régóta ismert halfaj iránt? Milyen kérdésekre kaphatunk választ a zebradánióval kapcsolatos kutatásokból?
A biológia tudományának egyik legnagyobb, mindmáig csak részben feltárt titka, hogy miképp lesz egyetlen egy sejtből (a megtermékenyített petesejtből) egy óramű pontosságával működő, élő szervezet. A részletes anatómiai leírások már rég elkészültek, s ismeretesek a korai egyedfejlődés egyes szakaszait is. Az igazi titkot azonban azok a gének hordozzák, amelyek a sejtek osztódását irányítják, vándorlásukat befolyásolják, vagy éppen olyan anyagokat termelnek, amelyek meghatározzák, hogy egy-egy sejt a specializáció mely vonalán induljon el.

Kísérleti alany kerestetik
Az ecetmuslicával (Drosophila) folytatott sikeres vizsgálatok után a kutatók egy része inkább a gerincesek egyedfejlődése iránt kezdett érdeklődni. Az egér vagy patkány genetikai sajátságait meglehetősen jól ismerjük, ezért első pillantásra mindkettő jó kísérleti alanynak látszott, de mivel belső megtermékenyítéssel szaporodnak a korai egyedfejlődés vizsgálatára kevésbé alkalmasak. Már régóta kerestek egy "eszményi szervezetet", amelynek gyors az egyedfejlődése, s a fejlődő embriót nem nehéz megfigyelni. Az is fontos szempont volt, hogy az egyed hamar ivaréretté váljék, és egy egyednek minél több utódja legyen. Az egyedfejlődéssel foglalkozó genetikusok és anatómusok megtalálták, amit kerestek, hiszen a zebradánió tökéletesen eleget tesz minden feltételeknek.

Az első lépések
Az amerikai George Streisinger fedezte fel a zebradániót az egyedfejlődést kutató biológusok számára. A halacska 3-4 hónap alatt válik ivaréretté, és egy nősténynek élete során elvileg több ezer utódja is lehet. Az embriók gyorsan fejlődnek, 24-48 óra alatt lényegében minden fontos szervük kialakul, és a fejlődéssel járó változásokat a kutatók könnyen nyomon követhetik, mert a zebradánió külsőleg megtermékenyített ikrái tökéletesen átlátszóak. Az ivadékok 5-6 napos korukban kelnek ki, és máris önállóan úsznak, táplálkoznak, vagy ha szükség van rá, menekülnek. A genetikusok számára igen előnyös, hogy a hal apró termetű, és a helyigénye is kicsi, sőt mivel rajban úszik, könnyő csoportban tartani.
Az egyedfejlődés iránt érdeklődő biológusok közül sokan hozzá pártoltak, és a zebradánióval foglalkozó kutatók ma évente tartanak konferenciákat.

Egyedfejlődés és mutagenezis
A Nobel-díjas német biológusnő, Christiane Nüsslein-Volhard és munkatársai dolgozták ki azt a genetikai módszert, amellyel az egyedfejlődés korai szakaszában résztvevő gének szerepét tisztázni lehet. Az elv tulajdonképpen egyszerű: ha egy az egyedfejlődés irányításához szükséges gén "elromlik" (például mutáció következtében), akkor az embrió fejlődése egy adott ponton leáll. Ha egy hibás gént hordozó embriónak a fejlődését folyamatosan nyomon követjük, akkor pontosan megmondható, hogy a kérdéses gén milyen egyedfejlődéssel kapcsolatos folyamatban játszik szerepet. Bizonyos kémiai anyagok (például etilnitrozo-urea) vagy a röntgensugárzás képesek a hím ivarsejtek génállományában öröklődő meghibásodást, mutációt okozni. A mutagén anyaggal kezelt hímeket először egy egészséges nősténnyel párosítják, majd az utódokat még 2 generáción keresztül beltenyésztik, hiszen az embriókban a génpár mindkét tagjának hibásnak kell lennie ahhoz, hogy a fejlődés valóban leálljon. A klasszikus genetika szabályai szerint a harmadik generációban átlagosan minden negyedik egyed, tehát az utódok körülbelül 25 százaléka mindkét génjében hordozza az adott helyen a mutációt. A génműködés hibájának muködésbeli következményeit persze hosszadalmas munkával, rengeteg idővel és türelemmel lehet megtalálni, és egy-egy gén felderítése sok kutató együttműködésének eredménye. A kutatók két nagyszabású kísérletsorozatban több mint 1 millió embriót vizsgáltak át, így sikerült ötszáznál több, az egyedfejlődésben szerephez jutó gént felderíteniük.

Gének és érdekességek
A mutagenezisen alapuló vizsgálatok számos érdekes eredményt hoztak, és sok olyan mechanizmus genetikai szabályozottságára derült (némi) fény, amelyre a kutatók nem is számítottak. Az embrió korai fejlődésének egyik legérdekesebb kérdése, hogy miképp alakulnak ki a test tengelyei. Először azok a sejtcsoportok különülnek el, amelyek háti (dorzális) és a hasi (ventrális), illetve az elülső (anterior) és a hátulsó (posterior) testrészek kialakulásáért felelősek. A kutatók több olyan mutánst találtak, amelyekben megbomlott ez a természetes egyensúly, és az embrióban a háti vagy a hasi meghatározottságú sejtek kerültek többségbe. E gének további elemzéséből kitűnt, hogy a test tengelyeinek létrejöttéhez bizonyos fehérjék egyensúlya szükséges. Így, ha a mutáció következtében nem termelődik a hasi meghatározottságban szerepet játszó fehérje, akkor ellenhatás hiányában megnő a háti részt képző sejtek aránya. Különösen érdekesek azok a mutációk, amelyek a vérképzéssel kapcsolatosak, hiszen ezeket emlősökben különösen nehéz tanulmányozni. Számos mutáció esetében megfigyelték, hogy a kóros állapot megfelel bizonyos emberi betegségeknek is, így lehetőség nyílik arra, hogy a gén azonosítását követően a betegség kialakulását emberben is nyomon követhessük. Az emberhez hasonlóan a zebradánióban is előfordul, hogy a vörösvérsejtek autofluoreszcenssé válnak, és ezt feltehetően ugyanazoknak a géneknek a mutációja okozza.
Az idegrendszer kialakulásának egyik kulcspontja, hogy az idegsejtekből kinövő nyúlványai - az axonok amelyek az ingerületeket közvetítik az idegsejtek között - az egyedfejlődés során megtalálják későbbi célpontjukat. A gerincesekre általánosan jellemző (bár vannak kivételek), hogy a szemből kiinduló látóidegek teljesen átkereszteződnek, így jutnak el az átellenes agyféltekébe. A zebradánió esetében találtak olyan mutánsokat, amelyeknek látóidegei nem kereszteződnek, s az idegpálya az azonos oldali agyfélbe szállítja az ingerületet. Ennek következtében ezek a különben életképes mutáns hallárvák fordítva reagálnak bizonyos vizuális ingerekre. Míg az egészséges lárvák elmenekülnek, ha egy hirtelen megjelenő fekete csíkot látnak, addig a mutánsok éppen a csík felé úsznak. Más mutációk a lárva mozgásának kialakulását érintik, mert károsodik az izomzat vagy a mozgást irányító idegi struktúra. Egyes hallárvák elvesztik érzékenységüket a tapintási ingerre, míg mások csak egyirányú úszásra képesek, vagy egyáltalán nem mozognak. Ismeretesek olyan mutánsok, amelyekben nem termelődnek bizonyos ingerületátvivő anyagok (neurotranszmitterek), és ez súlyos zavarokat okoz az idegrendszer és az izomrendszer működésében.

Image

Új kutatási irányok
A zebradánió fejlődésgenetikai vizsgálata önmagában nem elegendő ahhoz, hogy a gerincesek egyedfejlődésének minden fontos kérdésre válaszolhassunk, de még ennek lehetőségeit sem merítettük ki teljesen. Például a kalcium áramlására érzékeny anyagokat lehet bejuttatni az idegsejtekbe, s ha az adott idegsejt működik, azt fluoreszkálással jelzik. E módszerrel akár szabadon mozgó állatokon is megfigyelhető az idegsejtek aktivitása. A feltételezett mutánsok viselkedése is vizsgálható, így hamarosan a viselkedés irányításában fontos szerephez jutó gének működésére is fény derülhet. Különösen érdekes lenne a tanulással és a memóriával kapcsolatos folyamatokban résztvevő géneket vizsgálni. Már az eddigi eredmények is arra vallanak, hogy a zebradánió fejlődésgenetikai vizsgálata nagymértékben hozzájárul a humángenetikai ismereteink bővítéséhez. A vérképzőrendszer, a szív, bizonyos szembetegségek (például a színvakság és a retinadegradáció) genetikai meghatározottságának értelmezése már ma is részben a zebradánió mutagenezisére alapozott vizsgálatoknak köszönhető.

Miklósi Ádám
(ELTE Etológia Tanszék)
Log in to comment