By Michael Yudell, MPH, American Museum of Natural History
and Rob DeSalle, Ph.D., American Museum of Natural History
Gregor Mendel, a genetika úttörője és a csehországi Altbrünnben található kollégiumi templom plébánosa.
Amikor Gregor Mendel osztrák szerzetes 19. század közepén végzett kísérletei az öröklődés alapvető mechanizmusainak felfedezéséhez vezettek, megszületett a genetika tudománya, és az emberiség megtette első apró lépéseit a genetikai kód megfejtése felé. Mendel hozzájárult egy aranykorszak elindításához, amikor a tudósok világszerte az öröklődés biológiai alapjaival foglalkoztak. A bámulatos fejlődés évszázada
A tudományos kutatás fókusza azóta Mendeltől a molekulákig, a genetikától – az egyes gének és a tulajdonságok generációk közötti átörökítésének tanulmányozásától – pedig a genomikáig, a szervezet teljes DNS-állományának (dezoxiribonukleinsav) vizsgálatáig terjedt. Napjainkban ezt a területet a Human Genome Project uralja, egy nemzetközi kutatói konzorcium, amely 2000 júniusában elkészítette az emberi genetikai kód első tervezetét. A végtermék – a majdnem minden emberi sejtben található 3,1 milliárd bázispár DNS teljes szekvenciája – az emberi élet titkosított tervrajza.
Az emberi genomban található adatmennyiség megértéséhez képzeljünk el 58 New York-i telefonkönyvet A, C, T és G betűkkel írva. ©AMNH
Senki sem tudta volna megjósolni, hogy alig egy évszázaddal Mendel után a tudósok kezdik majd elsajátítani magát a DNS-molekulát. Hogyan jutottunk el idáig? Hogyan jutott el a tudomány az öröklődés mechanizmusairól való legtágabb értelemben vett gondolkodástól annak megértéséig, hogy a gének az öröklődés alapegységei, egészen a földi élet alapjait képező DNS-kódok megfejtéséig és végül manipulálásáig? A történet a kitartás, az intuíció és az egyszerű szerencse története.
A borsónövényektől a gyümölcslegyekig
A Charles Darwin 1859-ben megjelent A fajok eredete című művének hatására Mendel felfedezésének idején a legtöbb biológiai gondolkodás az evolúció rejtélyeinek megoldásával volt elfoglalva. Mendel munkája egy homályos tudományos folyóiratban jelent meg, és csaknem 40 évig porosodott. Figyelemre méltó módon 1900-ban három botanikus fedezte fel újra, akik Európa különböző laboratóriumaiban dolgoztak. A 20. század első évtizedeiben a növénygenetikát felváltották a rovarokkal és állatokkal kapcsolatos kutatások, és Mendel alapvető törvényeit – amelyek megmagyarázzák, hogyan öröklődnek a tulajdonságok generációról generációra – a fajok széles körében tesztelték.
A Drosophila melanogaster (más néven a gyümölcslégy) elképesztően termékeny és mindössze négy kromoszómapárral rendelkezik, és közel száz éve a genetikusok munkalovasa. A múlt század elején Thomas Hunt Morgan és tanítványai a Columbia Egyetemen százezres nagyságrendben kezdtek gyümölcslegyeket tenyészteni. Akkoriban még nem is létezett az a terminológia, amit ma genetikának nevezünk. William Bateson botanikus 1906-ban nevezte el a területet, három évvel később pedig Wilhelm Johannsen német biológus alkotta meg a “gén” kifejezést.
1910-ben Morgan laboratóriumában megjelent egy magányos fehér szemű hím légy. A korábban Mendel elméleteit kritikusan szemlélő Morgan akkor fogadta el azokat, amikor pontosan le tudták írni ennek a tulajdonságnak a generációkon átívelő átörökítését. Az ilyen tulajdonságot mutációnak nevezte. Morgan a mutációkat arra használta, hogy az öröklődést irányító törvényeken túlmutatva megvizsgálja a konkrét mechanizmusokat – magukat a géneket -, amelyek a folyamatot végzik. Azáltal, hogy több száz látható mutánst talált és tenyésztett ki, köztük olyanokat, amelyek a testszín és a szárny alakjának variációival rendelkeztek, ő és munkatársai képesek voltak kromoszómatérképeket készíteni, amelyek megmutatták, hogy a Drosophila négy kromoszómájának mindegyikén hol helyezkednek el bizonyos gének – ez volt a gyümölcslégy genomjának korai térképe.
Eugenika – A genetikai elmélet sötét oldala
Míg a 20. század első három évtizedében a genetikáról szóló tudományos gondolkodás Morgan és munkatársai munkájára összpontosult, a közbeszédet az eugenikusoknak nevezett férfiak és nők egy csoportja uralta. Az eugenika az emberiség tulajdonságainak szelektív nemesítéssel történő javításának tudománya. A bevándorlásellenes érzelmek és az egyes fajok genetikai felsőbbrendűségébe vetett hit táplálta eugenikai mozgalom szította a fajgyűlöletet, és diszkriminatív törvényekhez, valamint mintegy 30 000 állítólag “gyengeelméjű” amerikai sterilizálásához vezetett. Szerencsére az eugenika majdnem olyan gyorsan tűnt el az országos reflektorfényből, mint ahogyan felemelkedett, amit a holokauszt borzalmai, valamint a genetika, az evolúciós és a populációbiológia fejlődése siettetett.
A molekuláris genetika megelőzi a klasszikus genetikát
Miközben egyes biológusok matematikai keretet alkottak arra, hogyan öröklődnek a tulajdonságok a generációk során, mások az örökítőanyag kémiai összetevőinek meghatározásán fáradoztak. Egyesek továbbra is ragaszkodtak ahhoz a meggyőződéshez, hogy a fehérjék adják át a tulajdonságokat a generációk között, míg mások azt állították, hogy a nukleinsavak az élet alapvető építőkövei. 1944-ben három amerikai biológus a tüdőgyulladást okozó pneumococcus baktériumon végzett zseniális kísérletsorozata megállapította, hogy a gének DNS-ből állnak. Ez a felfedezés elindította azt, amit Ernst Mayr evolúcióbiológus “a nukleinsavkutatás valóságos “lavinájának” nevezett”, mivel a biokémikusok a DNS fizikai szerkezetének és kémiai jellemzőinek feltárására siettek.
Belép a kettős spirál
Az 1950-es években az angliai Cambridge-ben található Cavendish Laboratóriumokban a tudósok kifejlesztették a röntgenkrisztallográfiát, egy olyan technológiát, amely lehetővé tette egy kristályosított molekula háromdimenziós szerkezetének értelmezését. Ez lehetővé tette Maurice Wilkins és Rosalind Franklin számára, hogy “pillanatképeket” készítsenek a DNS-ről, amelyeket 1953-ban James Watson és Francis Crick felhasználtak a ma már híres modelljük megalkotásához: felfedezték, hogy a DNS csigalépcső, azaz kettős spirál alakú.
Az AMNH “A genomikai forradalom” című kiállításán kiállított Watson és Crick eredeti modelljeinek egyike a DNS szerkezetére vonatkozóan. Roderick Mickens ©AMNH
Watson és Crick legnagyobb erőssége abban rejlett, hogy modelljüket össze tudták egyeztetni a meglévő tudományos eredményekkel. Thomas Hunt Morgan még 1933-ban rámutatott, hogy “a genetikusok között nincs konszenzusos vélemény arról, hogy mik a gének – valódiak-e vagy pusztán kitaláltak”. Ösztönösen dolgozva Morgan nem lehetett biztos abban, hogy géntérképei több mint vadhajtás. De attól kezdve, hogy 1944-ben felfedezték, hogy valóban a DNS az öröklődés “anyaga”, a gének létezése egyre kevésbé vált elméletivé. Watson és Crick felfedezése a DNS tényleges fizikai szerkezetéről végül konszenzust teremtett a genetikusok között arról, hogy a gének léteznek. Mivel az öröklődés alapjait már kidolgozták, utódaik molekuláris szinten kezdték vizsgálni és manipulálni a genetikai folyamatokat.
Mélyebbre merülve a sejtben
A molekuláris szint másik fontos szereplői a fehérjék – aminosavakból álló szerkezetek, amelyek a sejt működését irányítják. Az 1950-es években Fred Sanger kémikus rájött, hogyan lehet meghatározni az aminosavak sorrendjét egy adott fehérjében. Az, hogy a fehérjék húsz aminosav lineáris elrendezéséből, a gének pedig négy nukleinsavból, azaz bázisból (DNS) álló lineáris elrendezésből állnak, csak egy dolgot jelenthetett. Valamiféle kód kötötte össze a DNS-ben lévő információt a fehérjék előállításával. A rejtély megoldásához szükséges szigorú gondolkodás és kísérletezés a század közepén dolgozó legnagyobb tudományos elmék közül néhányat vonzott.
A hatvanas években Crick és Sydney Brenner kémikus meghatározta, hogyan utasítja a DNS a sejteket, hogy bizonyos fehérjéket állítsanak elő: a DNS-ben lévő bázisok különböző hármasa – az úgynevezett kodonok – kódolja a húsz aminosav mindegyikét, amelyek láncaiból felépülnek a különböző fehérjék. A következő években egyre több és több kodont azonosítottak, és végül kiderült, hogy a kód minden élőlényben, a páfrányoktól a flamingókig, ugyanaz.
Eközben a biokémikusok szétszedték a sejtet, hogy meghatározzák, hogyan replikálódik a DNS, hogyan szintetizálódnak a fehérjék, és milyen szerepet játszanak az enzimek. 1958-ban Arthur Kornberg és Severo Ochoa elsőként szintetizált DNS-molekulákat kémcsőben. Ezt követően a DNS-replikációban és a fehérjék fordításában fontos enzimek és fehérjék széles skáláját fedezték fel. Mások a DNS és a gének elemzésének felgyorsítása érdekében baktériumok manipulálásával foglalkoztak. 1972-ben feltalálták a rekombináns DNS-nek nevezett technológiát – az egyik szervezetből származó DNS-t kivágták és beillesztették egy másik szervezet DNS-ébe -, ami megteremtette a géntechnológia területét. Ez a rendkívül fontos fejlesztés lehetővé tette a gének klónozását és módosítását, megteremtve a modern biotechnológia alapjait. Ma már például baktériumkolóniákat használnak az inzulin és az emberi növekedési hormon gazdaságos előállítására.
A legújabb PCR-gép, a DNA Engine Tetrad néhány óra alatt több mint egymillió példányban sokszorosítja a DNS egy célszekvenciáját. Meg Carlough ©AMNH
A technológiák, amelyek lehetővé tették a tudósok számára, hogy meghatározott DNS-szekvenciákat lássanak és manipuláljanak, szintén fejlődtek. Döntő áttörést jelentett a polimeráz láncreakció (PCR) 1983-as feltalálása Kary Mullis által, egy olyan eljárás, amely néhány óra alatt a DNS egy meghatározott szakaszának trilliónyi másolatát hozza létre. A PCR átalakította a molekuláris biológiát azáltal, hogy a genetikai anyagot elég nagy mennyiségben állította elő a kísérletezéshez.
Mindezek a felfedezések előkészítették a terepet egy teljes genom első szekvenálásához, amely 1977-ben egy PhiX0174 nevű apró vírusé volt. Maga a szekvenálás számos ismeretlen dolgot tárt fel a génekkel és a génszerkezettel kapcsolatban, és ez a téma újra és újra előkerült, amikor újabb genomokat szekvenáltak: 1995-ben egy baktériumot; 1998-ban az első magasabb rendű szervezetet, a C. elegans kerekesférget; 2000 márciusában a gyümölcslégyet; három hónappal később pedig az embert.
Túl a genomon
Most, hogy az emberi genom szekvenálása megtörtént, a hangsúly a proteomikára tevődik át: azoknak a fehérjéknek a tanulmányozására, amelyeket a gének kódolnak. A Humán Genom Projekt által meghatározott mintegy 30 000 gén 300 000-1 millió fehérjét jelent. Míg a genom viszonylag rögzített, a fehérjék bármely sejtben drámaian változnak, ahogy a gének a környezetükre reagálva be- és kikapcsolódnak, és a biológiai funkciók elképesztően széles skáláját irányítják tökéletes pontossággal.
A molekuláris biológusok most kezdik feltárni, hogy a gének milyen összetett módon lépnek kölcsönhatásba egymással és a környezettel, hogy a végeredmények sokaságát hozzák létre. Továbbra is elképesztő ütemben gyűjtjük és elemezzük az emberi és nem emberi genomokra vonatkozó információkat.
A géntechnológiák kockázatai és előnyei
A DNS manipulálásának képessége képessé tesz bennünket arra, hogy óriási károkat okozzunk magunknak és környezetünknek, ugyanakkor hatalmas ígéreteket is tartogat életünk eddig nem látott módon történő javítására. A kialakulóban lévő technológiák növelhetik a genetikai diszkrimináció és a genetikai magánélet megsértésének lehetőségét. Egyesek aggódnak a különböző növények és állatok genomjának megváltoztatásának környezeti következményei miatt. Ahogy képességeink és tudásunk növekszik, alaposan át kell gondolnunk, hogyan kezeljük ezeket a lehetséges következményeket.
Kétségtelen azonban, hogy a genomikai technológiák jobbá fogják változtatni az életünket. Az összehasonlító genomika, amely számos élőlény teljes genomszekvenciáit hasonlítja össze, elő fogja mozdítani a természet megértését és a gének szerepét az összetett emberi betegségekben. Az egerek például számos génszekvenciája megegyezik az emberével, a génfunkciók azonban gyakran különböznek. Az egerek és az emberek, illetve az emberek és más fajok közötti génfunkciók összehasonlításával számos genetikai rejtély megfejtése kezdődhet meg. A microarray technológia, amely lehetővé teszi a tudósok számára, hogy egyszerre több tízezer gént hasonlítsanak össze, azt ígéri, hogy feltárja a betegségek genetikai gyökereit, és javítja kezelési képességeinket. A farmakogenomika új területe a személyre szabott orvoslás korszakát fogja megnyitni. A rákbetegek például a saját állapotukra szabott terápiákat kapnak majd ahelyett, hogy hatástalan és gyengítő kezeléseknek vetnék alá magukat. Még az is lehet, hogy eljön az idő, amikor a genetikusok elkezdik manipulálni génjeinket, hogy növeljék az emberi élettartamot, létrehozva a fiatalság igazi forrását. Végül, ahogy egyre több faj genomját szekvenáljuk, egyre jobban megértjük majd az élet fáját és a természetben elfoglalt helyünket.
Az öröklődés mechanizmusain és jelentésén elmélkedve a tudósok egy évszázaddal ezelőtt azt kérdezték: “Lehetséges lenne?”. Meg tudtuk, és meg is tettük. Az emberi genom szekvenálása pedig egy újabb mérföldkő az eredetünk megértésére és biológiai sorsunk megfejtésére irányuló évszázados kutatásban.