2013. augusztus–szeptember: jegyzet, portré, startup, tudomány, it, biotechnológia, atomenergia, innováció, egyetem, disszemináció, építés, közlekedés, tanulmány, energiagazdálkodás, zöldkörnyezet, megújuló energia
2013. augusztus 5.

Szerző:
Ötvös Zoltán

A hiperaktív Csipkerózsika, avagy az ugráló gének „idomítása”

A múlt század negyvenes éveiben egy amerikai genetikus, Barbara McClintock azt a meghökkentő bejelentést tette, hogy a kukorica egyes génjei egyik kromoszómáról a másikra ugranak. Annak ellenére, hogy először hitetlenkedve fogadták McClintock elméletét, végül elismerték, és 1983-ban Nobel-díjjal jutalmazták. Szeptember 18. és 21 között egy nagyszabású budapesti konferencián (Conference on Transposition and Genome Engineering 2013) a genommérnöki, illetve a transzpozonokkal kapcsolatos legújabb eredményekről számolnak be a résztvevők.


Barbara McClintock korában az volt az általános vélekedés, hogy a gének statikusak, eleve meghatározott helyükről nem mozdulnak el. Ilyen helyzetben azt állítani, hogy a gének egyik helyről a másikra ugorhatnak át, igen merész kijelentésnek hatott. Ugyanakkor McClintock a kukorica örökítő anyagának vizsgálata során pontosan azt észlelte, hogy a növény DNS-ében olyan szakaszok is vannak, amelyek megváltoztatják helyüket a génállományon belül. Ezeket az instabil DNS-darabokat „ugráló” géneknek, azaz transzpozonoknak nevezte el. Később kiderült, hogy nemcsak a kukoricában fordulhatnak elő „ugráló” gének, hanem a baktériumoktól kezdve az emberig gyakorlatilag minden élőlény­ben. Ma már általánosan elfogadott, hogy a transzpozonok a proka­rióta (a prokarióták egysejtű – ritka esetekben többsejtű –, körülhatárolt sejtmag nélküli élőlények, amelyek az ismert legősibb sejtes felépítést mutató szervezetek, és a legegyszerűbbek is) és az eukarióta (az eukarióták olyan élőlények, amelyek valódi sejtmaggal rendelkező sejtekből állnak) szervezetekben is megtalálhatók.

Jelenlétük és működésük sokszor komoly genetikai károsodást okoz, ezért a transzpozonokat a kutatók molekuláris „élősködőknek” is nevezik. Ám az „ugráló” gének többsége az evolúció során inaktívvá vált, ezért nem veszélyes. A szakemberek időközben arra is rájöttek, hogy az „ugráló” gének hasznos genetikai segédeszközökké válhatnak, hiszen képesek különféle géneket bejuttatni a sejtekbe. A kutatók elképzeléseiket azonban működőképes, az emberi parancsnak engedelmeskedő transzpozonok híján sokáig nem valósíthatták meg. De mit tudunk a génekről?

A genommérnökség (genome engineering)
Azokat a közelmúltban kifejlesztett stratégiákat és technikákat jelenti, amelyeket az élő szervezetek genetikai információjának (genomjának) célzott, speciális módosítására dolgoztak ki. Ez rendkívül aktív kutatási terület, hiszen széles körben alkalmazható. Az emberi gyógyászatban a gének káros mutációjának korrekciójára, terápiás célú fehérjék előállítására, a mezőgazdasági biotechnológiában új generációs, genetikailag módosított növények létrehozására, továbbá kutatási eszközök kifejlesztésére, például egyetlen gén funkciójának vizsgálatára használható.

Miben különbözik a korábbi génmódosító technológiáktól ez az eljárás? Először géneket tettek élő sejtekbe – ilyen eljárás a transzgenezis –, ám az idegen gének véletlenszerűen épültek be, ami azzal a nem kívánt hatással járt, hogy semlegesítette vagy zavarta más gének működését. Utóbbi esetben akár rákos elváltozások is elindulhattak. Ráadásul ezek a technológiák nem nyújtanak garanciát a reprodukálhatóságra, mivel nem volt biztosíték arra, hogy az adott gén két különböző sejtben is ugyanarra a helyre épült volna be.

A legújabb eljárásokat használó genommérnökség legnagyobb előnye, hogy növeli a gén beillesztésének pontosságát, így megakadályozva bármilyen toxicitást, miközben tökéletes reprodukálhatóságot kínál. A genommérnökség és a szintetikus genomika (mesterséges genom tervezése) jelenleg az egyik legígéretesebb technológia az alkalmazott biológiai kutatások és az ipari innováció terén.

A Humán Genomprogram egy évtizeddel ezelőtti sikeres befejezése, vagyis az ember genomjának (öröklési anyagának) teljes megismerése számos meglepetéssel szolgált. Ezek egyike, hogy a hagyományos értelemben vett, azaz fehérjét kódoló gének a genom kevesebb mint két százalékát teszik ki. A másik – ennél is meglepőbb – felismerés az volt, hogy a genom mintegy felét viszont az „ug­ráló gének”, azaz a „transzpozonok” kategóriájába tartozó genetikai elemek foglalják el. A transzpozonok többnyire semmi mást nem kódolnak, mint azt az enzimet, amely az „ugrás”-hoz szükséges (olykor azt sem, ilyenkor más transzpozon által kódolt enzimet használnak fel a helyváltoztatásra). Az ugrás, azaz helyváltoztatás a genomon belül történhet a szövegszerkesztésből ismert „cut and paste (vá­gás-beillesztés)” vagy „copy and paste (má­solás-beillesztés)” mechanizmus segítségé­vel. Érdekes módon, az emberi genomban lévő milliónyi transzpozon nagy többsége ezt az egyetlen ismert funkcióját, vagyis a helyváltoztató képességét is elvesztette, csak azért nevezzük mégis transzpozonnak őket, mert szerkezetük többé-kevésbé azonos a más élőlényekből is ismert és ott aktív, azaz helyváltoztatásra képes DNS-szakaszokkal. Egy kisebb hányaduk azonban ma is aktív. Ha az ilyen elemek ténylegesen „ugranak” – ennek időpontja és a beilleszkedés helye általában véletlenszerű –, akkor többnyire mutációt okoznak, ezért lényeges a valós szerepük felderítése, minél pontosabb megismerése.

A transzpozonokról egyébként éveken át azt gondolták, hogy egyszerűen hulladék DNS-ek, de ma már ismert, hogy nagy szerepet játszanak a genetikai információk közvetítésében, terjesztésében. A baktériumokban például olyan tulajdonságokat hordoznak, mint az antibiotikumokkal szembeni ellenálló képesség, és nemcsak a kromoszómák közt képesek mozogni, hanem arra is képesek, hogy más baktériumokba kerüljenek át. Ez a fő útja annak, ahogyan az antibiotikumokkal szembeni ellenállást meghatározó mutáció elterjed a baktériumok között.
A transzpozonok az emberi szervezetben is megjelennek. Ezt 1991 decemberében állapították meg a baltimore-i Johns Hopkins Orvosi Egyetem kutatói két vérzékenységben szenvedő gyermek tanulmányozása közben. A kutatók egy furcsa DNS-darabot találtak annak génnek a közepében, amely normális esetben a véralvadásért felelős, 8-as véralvadási fehérjefaktort termeli. A rosszindulatú DNS-darab, amely a 8-as faktor génjét működésében megakadályozta, az elemzések során transzpozonnak bizonyult.

A transzpozonok kutatásában meghatározó szerepet játszanak a magyar kutatók. Az 1990-es évek végén Izsvák Zsuzsanna és Ivics Zoltán életre keltett egy közel 20 millió éven keresztül inaktív állapotban lévő, halból származó transzpozont. Az erről 1997-ben publikált cikkük a genetika világszenzációja lett. A magyar kutatók hosszú nyugalmi (alvó) időszaka és laboratóriumi „felébresztése” miatt Csipkerózsikának nevezték el ezt a DNS-darabot. A jelenleg Németországban dolgozó kutatók az elmúlt években több kísérletsorozatot is végeztek Csipkerózsikával. Segítségével már számos gént sikerült beültetni gerinces állatok sejtjeibe, ám a módszer eddig csak korlátozottan volt használható. A kétezres évek közepén továbbfejlesztették a transzpozont, így annak működése a korábbihoz képest sokkal hatékonyabb lett. A módosításnak köszönhetően az „ugráló” gén genetikai beépítő képessége százszorosára nőtt: Csipkerózsika hiperaktívvá vált. A hiperaktív Csipkerózsika génről 2009 májusában jelent meg a magyar kutatók közleménye a Nature Geneticsben, amelyet egy 2009-es hannoveri szakmai kongresszus az év áttörésének nevezett. Amerika „vette a lapot”, és Csipkerózsikának ítélte a 2009-es év molekulája díjat.
A magyar kutatóknak köszönhetően Európa először nyerte el ezt az elismerést. (A Science tudományos folyóirat 1989-ben hozta létre ezt az elismerést.)
Az Ivics–Izsvák házaspár által vezetett nagy nemzetközi csapat kutatói azóta bebizonyították, hogy a transzpozonos rendszer alkalmas arra, hogy segítségükkel testi sejteket őssejtekké programozzanak vissza. Ezek az úgynevezett indukált pluripotens őssejtek igen hasznosak a gyógyszerkutatásban, mert lehetőséget adnak arra, hogy a gyógyszerjelölt molekulákat emberi sejteken teszteljék. A gyógyszervizsgálatok döntő része ugyanis mostanáig emberi daganatsejteken, állati szöveteken vagy állatokon történt. A pluripotens őssejtekből bármilyen emberi sejtféleséget – szívizomsejteket, idegsejteket stb. – „előállítva”, egy-egy molekula hatékonysága ezeken tesztelhető, nem kell tehát azzal számolni, hogy például az egér sejtjei egy kezelésre másként válaszolnak, mint az ember sejtjei tennék.

Azt, hogy testi sejtek pluripotens őssejtekké alakíthatók, a japán Jamanaka Sinja ismerte fel, aki ezért tavaly orvosi Nobel-­díjat kapott. Jamanaka dolgozta ki azt az eljárást, amely négy gén bevitelével differenciált szöveti sejteket képes őssejtekké alakítani, és azóta ez a módszer az őssejtekkel való minden további kutatás, fejlesztés alapjául szolgál. Jamanaka a génbevitelre retrovírusokat használt. Vírusokkal juttatták be a sejtekbe azokat a genetikai elemeket, amelyek révén a visszaprogramozás megvalósult.

Sarkadi Balázs akadémikus, kutatóorvos, az Akadémia Membránbiológiai Kutatócsoport vezetője közreműködésével a vírusok helyett – melyek hosszú távú hatása nem kiszámítható – az úgynevezett transzpozonos rendszer segítségével valósították meg az „őssejtesítést”. Ezzel az iPS (indukált pluripotens őssejt) előállítása hatékonyabb és kockázatmentesebb lett. Az emberi bőrből származó hámsejtekből készült őssejtekről a kutatók egyebek között bizonyították, hogy képesek idegsejtekké alakulni.

Az MTA Szegedi Biológiai Központban dolgozó Pósfai György az általa irányított Genom­mér­nöki Csoporttal az Escherichia coli baktérium – az egyik legjobban ismert élőlény – genomjának minimalizálására és az ebben rejlő tudományos és gyakorlati lehetőségek kiaknázására törek­szik. Céljuk az volt, hogy a természetes sejtből egy „háziasított”, jól kezelhető, programozható sejtet kapjanak. Mindezt nem (csupán) a genetika klasszikus módszereivel kívánták elérni, hanem szintetikus biológiai megközelítéssel: tervezetten, racionális alapokon, célzottan, nagy léptékben alkalmazták a genommódosításokat.

Az Escherichia coli genom redukálá­sakor rokon ge­nomok össze­ha­sonlí­tá­sá­val és rendszerbiológiai modellek fi­gye­lembevételével meghatározták, melyek a genom laboratóriumi körülmények között nélkülözhető szakaszai, majd ezeket eltávolították (transzpozonokat, profágokat). Az egyszerűsített sejtek szisztematikus jellemzése során várt és váratlan, új tulajdonságok megjelenését tapasztalták. Alapfeltevésük szerint a sejt, megszabadulva a felesleges gének jelentette tehertől, gyorsabban növekedik, mint a vad típus. Tévedtek. A növekedést valószínűleg számos más faktor is befolyásolja. A legszembetűnőbb, általános érvényűnek mondható változás a szegediek szerint a genetikai stabilitás megnövekedése, a kisebb mutációs ráta. Ez azért fontos, mert az Escherichia colit sokoldalúan használja a gyógyszeripar különböző hasznos fehérjék (például inzulin, interferon) termelésére.
Az egyszerűsített genomú Escherichia coli sejt – elsősorban nagyobb genetikai stabilitása folytán – biotechnológiai alkalmazásokban is előnyt jelenthet. Amerikai partnerük (Scarab Genomics LLC) forgalmazza a szegediek sejtjeit; ezeket egyebek között állati vakcinák gyártásához is használják.

A Természet Világában e témában idén nagyobb tanulmányt megjelentető Venetianer Pál professzor szerint, ha elfogadjuk, hogy a transzpozonok csupán „önző gének”, amelyek valamikor az evolúció korábbi fázisaiban bejutottak az ember öröklési állományába és ott semmiféle hasznos funkciójuk nincs, akkor nagy részük mégis miért íródik át, tehát miért mutatnak valamiféle aktivitást? Továbbá az is kérdés, hogy hogyan tűri el az ember azt a hányadukat, amely ugrásra képes, és ezzel mutációt okozhat. Hiszen a mutációk nagy része káros, sőt ha ez az ivarsejtekben történik, akkor halálos is lehet. Hogyan lehetséges, hogy mégis megmaradtak az evolúció során?

A felfedezések ma már magyarázatot adnak arra, hogy miként tolerálják a magasabb rendű állatok (és az ember) a genomjukban megbúvó úgynevezett önző géneket, jelenlétük, működésük miért nem árt gazdájuknak. Arra azonban nem adnak választ, hogy minek köszönhető a fennmaradásuk. Ha egyszer nincs hasznos funkciójuk, miért nem küszöbölte ki őket az evolúció? Ezt a kérdést kívánta megválaszolni Nina Fedoroff, az Egyesült Államok Tudományos Ismeretterjesztő Társasága (AAAS) tavaly májusi kongresszusán. Fedoroff abból a tényből indult ki, hogy az emberi genom 50 százalékos transzpozontartalma korántsem kimagaslóan magas, különösen a magasabb rendű növények között előfordul ennél jóval nagyobb arányban. Az emberinél kisebb genomú kukoricában például 85 százalék a transzpozonok aránya.

Ezzel szemben a baktériumok világában elenyészően alacsony ez az arány, ugyanis a nagyobb DNS-szakaszok ismétlődését a homológ rekombináció genetikai mechanizmusa többnyire kiküszöböli. A differenciáció, az egyszerűbből a bonyolult felé haladó evolúció nem csökkenti, hanem növeli a transzpozonok mennyiségét. Ha ezeknek semmi haszna nincs az organizmus számára, csak potenciális károkozók, akkor miért történt ez így? Fedoroff véleménye szerint az igazság feltehetően az, hogy e mechanizmusok léte nem következmény, hanem ok. Ezek korábbi kialakulása tette lehetővé a transzpozonok elszaporodását, ami evolúciós értelemben hasznos, minden bizonnyal szükséges előfeltétele a soksejtű szervezetekre jellemző szöveti differenciálódás megjelenésének. Nem véletlen, hogy a transzpozonok legnagyobb mennyiségben a magasabb rendű növények (zárvatermők) genomjára jellemzőek. Ennek feltehetően az a magyarázata, hogy a növények, helyhez kötöttségük miatt, nehezebben tudnak alkalmazkodni a változó körülményekhez, mint az állatok (a mikroorganizmusokról nem is beszélve). Ezért szükségszerű, hogy nagyobb legyen a genetikai alkalmazkodóképességük, aminek kulcsa a nagy mennyiségű, evolúciós ugrásokat is lehetővé tevő transzpozon.

Ivics Zoltán – aki időközben Berlinből a langeni Paul-Ehrlich Intézetbe ment dolgozni – munkájában különösen fontos szerepet játszik, hogy ezen a dinamikusan fejlődő területen folyamatosan az élvonalban legyen. Az élvonalat most a transzpozonokon alapuló gyógyszerek kifejlesztése jelenti. Ez hatalmas előrelépés, hiszen amikor az 1990-es évek elején elkezdte pályáját, a gerinces élőlényekre nem létezett olyan génszabászati technológia, amellyel a transzpozonokkal precíz kísérleteket tudtak volna végezni. „Csipkerózsika felfedezése ebből a szempontból mérföldkőnek tekinthető. Ennek révén olyan eszköz, eljárás áll rendelkezésünkre, amelynek segítségével az állatvilágban és az emberben nagyon ígéretes eredmények születhetnek” – tájékoztatta az Innotékát Ivics Zoltán, a szeptemberi konferencia tudományos programjának szervezője, aki a legnagyobb várakozással a humán génterápiára tekint.
A T-sejtek génjeinek átszabása például az elkövetkező évek egyik kiemelt kutatási területe lehet. (A T-sejtek felelnek a sejtes immunitásért, a betolakodó kórokozóhoz tapadva elpusztítják azt, ezért szokás gyilkos, angolul „killer” sejtnek is nevezni.) Hasonlóan nagy reményekkel kecsegtető terület az age-related macular degeneration (AMD, időskori látáscsökkenés, illetve vakság) Csipkerózsika transzpozon alapú génterápiás kezelése. Az Európai Unió egy nemzetközi konzorciumot (melynek az Ivics–Izsvák házaspár is tagja) támogat azért, hogy a transzpozonos eljárást eljuttassa a klinikai kipróbálás stádiumáig. Minden bizonnyal ez lesz Csipke­rózsika első klinikai alkalmazása Európában.

Izgalmas kutatási terület új modellállatok létrehozása is. Jelenleg transzgenetikus állatokat Csipkerózsika segítségével egerekben, patkányokban, nyulakban és sertésekben állítanak elő. A sertés nemcsak modellállatként segíti a kutatást, hanem a xenotraszplantáció – az ember számára fontos szerveket, molekulákat más fajokban állítanak elő, majd azokat beültetik, bejuttatják a humán szervezetbe – révén ugyancsak ígéretes jövő előtt áll ez a faj. (A géntechnológia legújabb módszereivel elkerülhető a sertésben növesztett szerveknek a humán szervezetbe való beültetése után eddig mindig fellépő kilökődés.
Az Ivics–Izsvák „team” egy dán társasággal együttműködve epilepsziás és Alzheimer-kórban szenvedő betegeken próbál segíteni. A dánok által fejlesztett, génszabott sejtkolóniát kapszulába helyezték, majd beültették a beteg agyába. Ez a sejtkolónia helyben termeli meg a beteg számára fontos gyógyító molekulákat. Számos klinikai vizsgálat azt mutatja, hogy hatékony az eljárás. A Csipkerózsikán alapuló génbeviteli eljárással készült sejteknek köszönhetően ez a módszer is tovább tökéletesíthető.•

 
Innotéka