A modern sejtek leszármazásának kiindulópontjai

A modern, evolúciós kapcsolatokon alapuló rendszerek három nagy birodalomra (doménre) osztják az élővilágot:

- valódi baktériumokra (eubaktériumok)

- archaebaktériumokra (ejtsd arhébaktériumok), rövidebben archaeákra, amelyek főleg szélsőséges környezetekben fordulnak elő (nevüknek nincs magyar megfelelője)

- eukraiótákra (valódi sejtmaggal rendelkező élőlények, az előző két csoport kivételével minden szervezet ide tartozik).

Az első két csoportot prokariótáknak is nevezik, ami arra utal, hogy nincs sejtmagjuk (és az eukariótáknál más szempontból is jóval egyszerűbb szerveződésűek).

A legtöbb kutató egyetért abban, hogy az evolúció során először a prokarióták jelentek meg (mintegy 3-4 milliárd éve), és később bukkantak fel az eukarióták (mintegy 2 milliárd éve). Az eukarióták kialakulásának folyamatát napjainkig homály fedi, bár a téma kutatásával rengeteg tudós foglalkozik. Számos elmélet született, amelyek zöme a prokarióták és eukarióták RNS- és fehérjeszintézise (transzkripció és transzláció) közötti különbségeken alapul, illetve az ún. intronok jelenlétével kapcsolatos^2-8.

Az intronok az géneknek azon szakaszai, amelyek nem kódolnak információt. A gének azon szakaszait, amelyekről a fehérjeszintézis folyamán ténylegesen fehérje képződik, exonoknak nevezik. Az eukarióták génjeinek többsége exonokból és intronokból áll, azonban az intronok - a legáltalánosabb nézet szerint - azokból a szervezetekből, amelyek gyors szaporodásra vannak ítélve - mint például baktériumok (prokarióták) - kivesztek^10-12. Ez annak a következménye lehet, hogy az intronok a fehérje képzése folyamán a "splicingnak" (ejtsd szplájszing) nevezett mechanizmus során kivágódnak a DNS-ről (génről) átíródott elsődleges RNS-másolatból, így csak az exonoknak megfelelő szakaszok maradnak abban az RNS-kópiában, amiről majd a fehérje keletkezik (ún. hírvivő RNS, messenger RNS, mRNS). Csakhogy ez a folyamat nagyon időigényes, így a legtöbb elmélet szerint a prokarióták nem engedhetik meg maguknak rövid életük során.

Egyáltalán miért van szükség intronokra, ha úgyis kivágódnak? Az intronok szerepének magyarázatára máig tartja magát Walter Gilbert elmélete, miszerint elősegítenek olyan folyamatokat, amelyek révén ugyanarról a génről többféle fehérje keletkezhet (ún. alternatív splicing, exon-keveredés)1. Ezek a mechanizmusok nagyon nagy jelentőséggel bírnak, sok esetben az adott sejt túlélését biztosítják. (Az alternatív splicing kissé leegyszerűsítve ahhoz hasonló, mintha a felesleges részek - intronok - kivágása után megmaradt adott szókészletből - exonok - különböző szórendű mondatokat raknánk össze, amelyek jelentése így eltérő lehet - a szerk.)

Számos kutató feltételezi, hogy a prokarióták örökítőanyaga hajdan tele volt intronokkal, amelyek mára az eukariótákban őrződtek meg. Így az eukarióták mint e letűnt világ közvetlen leszármazottai maradtak fenn (korai intron-elmélet), s intronjaik által elvezethetnek bennünket eredetük megértéséhez^10-12.

Endoszimbiózis és intron-invázió

Az intronoknak több fajtáját különböztethetjük meg. Vannak olyanok, amelyek enzimatikus aktivitással is rendelkeznek, azaz fehérjék jelenlétének hiányában is képesek a splicing elvégzésére. Ezek közé az "önszerkesztő" intronok közé tartoznak a II. típusú intronok. Cech¹³ szerint belőlük alakultak ki az eukarióták intronjai és az úgynevezett kis nukleáris RNS-ek (snRNS-ek); utóbbiak az intronok kivágódását és az exonok összekapcsolódását katalizálják a fehérje képződésének előkészítése folyamán. Cavalier-Smith¹⁴ továbbfejlesztett elmélete alapján a II. típusú intronok az ún. endoszimbiózis (lásd később) révén tudták elárasztani az intronszegény őseukarióta örökítőanyag-állományt.

Az endoszimbiózis azt jelenti, hogy egy organizmus egy másik számára - noha annak függetlensége árán - fennmaradási lehetőséget biztosít saját szervezetén belül, amely cserébe valamilyen módon segíti a gazdaszervezet működését. A legtöbb kutató az endoszimbionta elmélettel magyarázza az eukarióták kialakulását: igen leegyszerűsítve ez azt jelenti, hogy egy őseukarióta sejt "befogadott" olyan ősi prokariótákat, amelyekből aztán a különféle eukarióta sejtszervecskék jöttek létre. A klasszikus példa a minden eukarióta sejtben jelenlévő ún. mitokondrium, amely az eukarióta sejt energiatermelő sejtszervecskéje, és korábban önálló baktérium lehetett (ennek egyik bizonyítéka, hogy saját genetikai állománya van, az evolúciós kutatásokban az utóbbi időben előszeretettel használt mitokondriális DNS (mtDNS).

Feltevések szerint az alfa-proteobaktérium-eredetű mitokondrium lehet a felelős a II. típusú intronok eukarióta genomba történő "beözönléséért"^14,16-24. A fenti állítást alátámasztaná, ha megtalálnák ezeket az intronokat a máig szabadon élő alfa-proteobaktériumokban.

Az eddigiek összegzésével a kutatók az alábbi konzekvenciát vonták le. A splicing folyamatát irányító sejtbéli apparátus, az úgynevezett spliceosoma - amely spliceosomális intronokból, snRNS-ekből és járulékos fehérjékből áll - az eukarióták körében univerzális²⁷ kell, hogy legyen. Az eukarióta intronok és snRNS-ek valószínűleg a II. típusú intronokból alakultak ki, amelyek a mitokondriumból erednek^16,18,28, és feltehetően egyidősek magukkal a valódi eukariótákkal^25,26. A spliceosoma alighanem az eukarióta leszármazási vonal közös ősében bukkant fel²⁷, amelyben - mindezek alapján - a mitokondriumnak is jelen kellett lennie^20,23,24. Az intronok bekerülése és szétterjedése az őseukarióta sejt génállományába az evolúciós idő egy szűk tartományában következhetett be: a mitokondrium "meghódítása" után, de a főbb eukarióta leszármazási vonalak szétválása előtt.

Tény, hogy azok a szervezetek, amelyek rendelkeznek mitokondriummal, intronokat is tartalmaznak. Ezek a szervezetek azonban kivétel nélkül valódi sejtmaggal is bírnak. A sejtmag burkát egy pórusokkal áttört kettős sejthártya- (membrán-) rendszer képezi, ami folyamatos összeköttetésben áll az ún. endoplazmatikus retikulummal (ER), vagyis a sejt egyik fő, fehérjéket képző és átalakító sejtalkotójával. A pórusokat alkotó fehérjekomplexek vizsgálata archea- és eubakteriális sajátságokat is mutat. Ez, illetve egy-két eukarióta újítás arra enged következtetni, hogy a sejtmag egy olyan sejtben alakult ki, ami már tartalmazott egy mitokondriális endoszimbiontát²⁹. A sejtmagvacskában (sejtmagon belüli, sötéten festődő régió) is találhatók olyan fehérjék, amelyek eredete szintén a két prokarióta birodalomra utal, ami tehát megerősíti a mitokondrium megléte utáni kialakulás valószínűségét³¹. Bizonyos gének vizsgálata továbbá azt sugallja, hogy az ER a sejtmagnál korábban alakult ki²⁹ (ahogyan ezt a modern sejtciklus is tükrözi³⁰).

Az új ötlet

A kutatók az intronok evolúciós fontosságát a mitokondriális elterjedés fényében vizsgálva azt próbálták alátámasztani, hogy az intronoknak az örökítőanyagban történő megjelenése eleinte - mint a mutációk kialakulásának kockázatát növelő tényező - szelekciós nyomásként nehezedett a sejt genetikai állományára. Az ötlet tulajdonképpen a Cavalier-Smith¹⁴ párostól ered, akik felvetették: nem lehet kizárni annak a lehetőségét, hogy olyan, "nem kész" RNS-ek is belekerülhettek az őseukarióta sejt fehérjeszintetizáló apparátusába, amelyek még intronokat tartalmaztak, azaz nem estek át splicingon. Ez természetesen csak hibás fehérjét eredményezhetett, ami - például egy létfontosságú enzimet érintve - minimálisra csökkenthette a sejt túlélésének esélyét. Ily módon indokolttá válhatott egy olyan folyamat megindulása, ami elvezethetett a valódi eukarióta sejtmag kialakulásához. A sejtmag legfőbb funkciója ugyanis, hogy fizikailag választja szét az RNS-képzést (sejtmagban) a fehérjeszintézistől (sejtmagon kívül), így lehetővé teszi, hogy szigorúan a splicingon átesett, úgynevezett érett mRNS-ekkel mehessen végbe fehérjeképzés.

Továbbszőve ezt a fonalat, a kutatók megtervezték az eukarióta közös ős egy lehetséges újabb modelljét. Kiindulási alapul - sok korábbi modellel ellentétben^14,30,32 - egy prokarióta, pontosabban egy archeabaktérium sejtet választottak, ami a legtöbb ismert sejtszervecskének - közöttük a sejtmagnak is - híján volt. A mitokondrium ősének ők is elfogadták az alfa-proteobaktériumokat^20,23,34-36; a modell összeegyeztethető valamennyi, a mitokondrium kialakulásával kapcsolatos hipotézissel, amelyek általában szintén prokarióta sejtet tulajdonítanak eme alapvető fontosságú sejtszervecske "meghódítójának"^35,36.

A szimbiózis létrejötte valószínűleg mindkét fent említett ősi sejttípus életében óriási változást jelenthetett, hiszen a bekebelezést követően mind az alfa-proteobaktérium, mind pedig az adott archea az életben maradásért küzdött. Ez jelentős zűrzavarokat okozhatott az együttélésre ítélt sejtek életvitelében, amit csak azok az utódsejtek élhettek túl, amelyek a leginkább képesek voltak alkalmazkodni ehhez az "újszerű felálláshoz". Így feltételezhetően elindult egy úgynevezett géntranszfer a mitokondrium őséből a gazdasejtbe, azaz annak bizonyos génjei bekerültek az archea örökítőanyag-készletébe, lehetővé téve a korábban említett, feltételezett "intron-inváziót".

A gazdasejtnek azonban erre úgy kellett reagálnia, hogy a szükségszerűvé váló együttélést a saját javára fordítsa. Ehhez, amennyire csak lehetséges volt, kontroll alá kellett vonnia a bekerülő organizmust, és összehangolnia anyagcsere-folyamataikat, osztódási ciklusukat³⁷. Előfordulhatott azonban, hogy a gazda nem tudott lépést tartani az alfa-proteobaktérium rohamával, s belehalt a támadásba. Ilyenkor az kiszabadulhatott "archea-börtönéből", s szabadon tovább élhetett. Ennek fordítottja is elképzelhető, amikor az "ősmitokondrium" pályafutása ért szomorú véget, csakhogy az archea ezt kihasználhatta: a bakteriális DNS ugyanis a gazdasejt belsejében maradhatott, ami szintén lehetőséget nyújthatott az intronok "betörésére".

Az intron-invázió hatásai

Az ősi prokariótákban az intronok kivágódása másféle mechanizmusok révén mehetett végbe. A modern proteobaktériumok DNS-ében találhatóak olyan szakaszok, amelyek értelmezhetőek az intronok maradványaiként¹⁸. Ezek a szekvenciarészletek többnyire a gének közötti, fehérjét nem kódoló, összekötő részeken (ún. spacer régiókon) belül, vagy egyéb olyan DNS-szakaszokban helyezkednek el, amelyek az örökítőanyagban áthelyeződésre képesek (mozgékony genetikai elemek)^18,28. Kivágásukat különböző enzimek végzik^17,18, de terjedésük valószínűleg valamilyen kontrollmechanizmus révén erősen szabályozott^28,39.

A kutatók azt feltételezik, hogy az endoszimbiózis folyamán megsérültek azok az enzimek, amelyek hajdan képesek lehettek arra, hogy az mRNS-átírat splicingja folyamán eltávolítsák az intronokat. Ez lehetőséget szolgáltathatott az intronok elterjedésére, és egy újfajta splicing-mechanizmus kialakulását igényelte, ami a mai splicosoma^27,28 megjelenéséhez vezethetett. Így alakulhattak a II. típusú intronok spliceosomális intronokká és snRNS-ekké^12,18,28. Az érintett gének vizsgálata azt sugallja, hogy ez az átmenet az eukarióta ősben ment végbe^25,26.

A prokarióták fehérjeszintézise viszonylag gyors folyamat (körülbelül tíz aminosav/másodperc⁴¹), az eukariótákban kicsit lassabb (egy aminosav/másodperc) ⁴³. A spliceosomák által irányított splicing folyamata relatíve lassú: 0,005-0,01 intron/másodperc például a globinok esetén. A kezdeti, kialakulófélben lévő spliceosoma (protospliceosoma), amelyben az snRNS-ek már jelen voltak, de a járulékos fehérjék "toborzása" még zajlott^27,40, valószínűleg még ennél is lassabban működött. Ezért különösen nagy problémát jelenthetett, hogy a fehérjeszintetizáló apparátus hozzáférhetett azokhoz az mRNS-ekhez is, amelyek még nem estek át splicingon (sejtmag hiányában fizikailag ugyanabban a térben zajlott az RNS- és a fehérjeszintézis). A fehérjeszintézis gyorsasága a splicing lassúságának függvényében még inkább megnövelte ennek esélyét, így sok hibás fehérjét eredményezhetett^14,32 ez az átmeneti állapot. Így szorulhatott gátak közé az eukarióták őse, amelynek sürgős megoldást kellett találnia a lassú spliceosomák megjelenésének problémájára.

A probléma feloldása

A kutatók szerint a problémára három megoldás kínálkozhatott. Az első egy olyan spliceosoma kifejlesztése, amely túl tudja szárnyalni a fehérjeszintetizáló rendszer gyorsaságát. A második egy olyan mechanizmus kidolgozása, amely gyorsan és hatékonyan, már a DNS-ből eltávolítja az intronokat. Ezekre nem találunk példát az élővilágban, ugyanakkor a harmadik megoldás az összes eukarióta szervezetet jellemzi: az RNS-ek és a fehérjék szintézisének térbeli elválasztása. Mint már említettük, ez a sejtmaghártya legfőbb funkciója. A legtöbb elmélet szerint a sejtmaghártya az endoplazmatikus retikulumból szerveződött, amelynek ehhez tehát meg kellett jelennie a sejtmag kialakulása előtt. Az ER összefüggő képletet alkot a sejtmaghártyával⁴⁴, így az evolúciós kapcsolatuk lehetősége valóban fennáll^29,30.

A kutatók tehát eljutottak egy olyan sejthez, amely mitokondriummal rendelkezik, kromoszómái saját génkészlete mellett az endoszimbionta néhány génjét is tartalmazzák, és egy splicing-kompartmenten belül - sejtmag - helyezkednek el. A sejt alapállományában, a sejtmagon kívül (citoplazma) archebakteriális-eredetű fehérjeszintetizáló apparátus található, amely csak az érett mRNS-ek segítségével képes fehérjét létrehozni. A sejtmag létrejötte tehát hatékonyan képes biztosítani azon gének kifejeződését, amelyek intront tartalmaznak, így az "intron-invázió" befejeztével az ősi intronkészlet fennmaradhatott.

A másik oldalt tekintve a sejtmagon kívül létrejött egy a fehérjeszintézis irányába elkötelezett kompartment, amely mentes a transzkripcionálisan aktív kromoszómáktól. A sejtmag pórusain keresztül a citoplazmába az érett mRNS-eken kívül csak olyan komponensek juthattak ki, amelyek a fehérjeszintetizáló rendszer részét képezik, ahogyan ez a modern eukariótákban is történik (ahol specifikus splicing-komponensek segítenek az mRNS-ek magból való kikerülésében^45,46). Ezen felül az eukariótáknak - éppen a splicing megléte miatt - bonyolult mRNS-felügyelő rendszerük is kifejlődött, biztosítva, hogy valóban csak az érett mRNS-eken mehessen végbe transzláció, s hogy a valamilyen defektussal rendelkező mRNS-ek mielőbb lebomoljanak^27,47,48. Mindez óriási előrelépést jelentett a génkifejeződés szabályozásában.Mindez óriási előrelépést jelentett a génkifejeződés szabályozásában.